[論文レビュー] Evidence for Flat Band Dirac Superconductor Originating from Quantum Geometry

Haidong Tian, Shi Che+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、超低速のフェルミ速度（約1000 m/s）と量子幾何効果が超伝導を支配する、ねじれステートバイレイヤー graphene におけるフラットバンドディラック超伝導体の実験的証拠を提供する。超伝導性の剛性は運動エネルギーではなく、相互作用駆動のギャップに支配されており、これは新しい量子幾何的起源の超伝導を示唆する。Tc/TF > 1 であることは、強い結合 BCS-BEC 交叉物理学を示している。

ABSTRACT

In a flat band superconductor, the charge carriers' group velocity vF is extremely slow, quenching their kinetic energy. The emergence of superconductivity thus appears paradoxical, as conventional BCS theory implies a vanishing coherence length, superfluid stiffness, and critical current. Here, using twisted bilayer graphene (tBLG), we explore the profound effect of vanishingly small vF in a Dirac superconducting flat band system Using Schwinger-limited non-linear transport studies, we demonstrate an extremely slow vF ~ 1000 m/s for filling fraction nu between -1/2 and -3/4 of the moire superlattice. In the superconducting state, the same velocity limit constitutes a new limiting mechanism for the critical current, analogous to a relativistic superfluid. Importantly, our measurement of superfluid stiffness, which controls the superconductor's electrodynamic response, shows that it is not dominated by the kinetic energy, but instead by the interaction-driven superconducting gap, consistent with recent theories on a quantum geometric contribution. We find evidence for small pairs, characteristic of the BCS to Bose-Einstein condensation (BEC) crossover, with an unprecedented ratio of the superconducting transition temperature to the Fermi temperature exceeding unity, and discuss how this arises for very strong coupling superconductivity in ultra-flat Dirac bands.

研究の動機と目的

• ねじれステートバイレイヤー graphene におけるフェルミ速度が著しく小さいフラットバンド系における超伝導の研究。
• このような系における超伝導性剛性が運動エネルギーか、相互作用駆動ギャップかによって支配されるかの特定。
• 運動エネルギーが抑制された状態でも超伝導を可能にする量子幾何の役割の解明。
• 特に BCS-BEC 交叉領域における、超平坦ディラックバンド内のクーパー対の性質の検討。

提案手法

• ねじれステートバイレイヤー graphene において、フイルミング数 ν が -1/2 から -3/4 の間の状態で、シュヴィンガー限界非線形輸送測定を実施し、臨界電流およびフェルミ速度を評価。
• 温度および磁場依存の超伝導性剛性の測定を通じて、電磁的応答を評価。
• BCS 予測からの逸脱を解釈するため、超伝導転移温度（Tc）とフェルミ温度（TF）の比 Tc/TF を分析。
• フラットバンド系における従来の BCS 期待とは異なる挙動を解釈するため、量子幾何理論を用いる。
• 最近の理論的モデル（量子幾何が超伝導オーダーパラメータに寄与する可能性を予測）と実験結果を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動エネルギーが抑制されたフラットバンドディラック超伝導体において、超伝導性剛性の起源は何か？
• RQ2 ねじれステートバイレイヤー graphene におけるフェルミ速度は、超伝導状態における臨界電流にどのように影響するか？
• RQ3 超平坦ディラックバンドでは、Tc/TF の比がどの程度 1 を超えるか。これは強い結合超伝導を示唆する。
• RQ4 量子幾何効果は、群速度が著しく小さい状態でも超伝導の維持を説明できるか？
• RQ5 この系における BCS-BEC 交叉領域で、小さなクーパー対の存在を支持する証拠は何か？

主な発見

• 超伝導状態におけるフェルミ速度は約1000 m/s と測定され、従来の超伝導体に比べて著しく遅い。
• 超伝導性剛性は運動エネルギーによって支配されておらず、むしろ相互作用駆動の超伝導ギャップによって支配されており、量子幾何的起源を支持する。
• 超伝導転移温度とフェルミ温度の比（Tc/TF）は1を超過し、BCS-BEC 交叉領域における強い結合超伝導を示している。
• 臨界電流は、極めて低いフェルミ速度に起因し、相対論的超流動に類似したシュヴィンガー様メカニズムによって制限されている。
• 実験結果は、最近の理論と整合しており、運動エネルギーが無視できる状態でも、量子幾何がフラットバンドにおける超伝導を駆動することを示唆している。