[論文レビュー] Isospin magnetism and spin-triplet superconductivity in Bernal bilayer graphene

Haoxin Zhou, Ludwig Holleis+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Graphene research and applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、垂直方向の電場によってバルク状態がヴァン・ホーブ特異点にチューニングされるバーナー二層グラフェン（BBG）において、スピン極化された超伝導性が示された。超伝導性は有限の面内磁場（約150 mT）で出現し、パウリ限界を上回っているため、等スピン対称性破れ相に近接することで安定化されたスピン三重項対称性状態であると示唆される。

ABSTRACT

We report the observation of spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene when doped to a saddle-point van Hove singularity generated by large applied perpendicular electric field. We observe a cascade of electrostatic gate-tuned transitions between electronic phases distinguished by their polarization within the isospin space defined by the combination of the spin and momentum-space valley degrees of freedom. While all of these phases are metallic at zero magnetic field, we observe a transition to a superconducting state at finite $B_\parallel\approx 150$mT applied parallel to the two dimensional sheet. Superconductivity occurs near a symmetry breaking transition, and exists exclusively above the $B_\parallel$-limit expected of a paramagnetic superconductor with the observed $T_C\approx 30$mK, implying a spin-triplet order parameter.

研究の動機と目的

• 強い電場下におけるバーナー二層グラフェン（BBG）における電子相関効果および出現する量子相を調査すること。
• 垂直方向の電位差によって誘発されたヴァン・ホーブ特異点近くにおけるBBGにおける超伝導性の性質を特定すること。
• 面内磁場への応答を測定することで、観測された超伝導性がスピン対称性状態かスピン三重項状態かを同定すること。
• 構造的に安定な二次元材料における強固な超伝導性を可能にするアイソスピン対称性の破れの役割を確立すること。
• グラフェンベースのヘテロ構造において高品質で再現性のあるスピン三重項超伝導体を実現可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 電気的ゲーティングによりキャリア密度と層間ポテンシャルを制御できる二重ゲート、hBNカプセル化型バーナー二層グラフェンデバイスを用いた。
• 最大約1.02 V/nmの大きな垂直電場を印加し、バンドギャップを誘発し、nₑ ≈ –0.5×10¹² cm⁻²でヴァン・ホーブ特異点に到達させた。
• 10 mKまで冷却した状態で、キャリア密度、磁場（B∥およびB⊥）、温度をパラメータとして、抵抗率および非線形dV/dIの測定を実施した。
• 磁気抵抗振動（Rxx(1/B⊥)）のフーリエ変換を用いてフェルミ面の位相構造をマッピングし、対称性破れ状態を検出した。
• ゼロ磁場における非線形抵抗の抑制およびしきい値電流の低下を、対称性破れの兆候として分析した。
• 面内磁場によるチューニングを用いて、スピン極化のゼーマンエネルギーのしきい値と超伝導性の発現を関連付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヴァン・ホーブ特異点近くのバーナー二層グラフェンにおける超伝導性は、スピン三重項対称性を示す特性を有するか？
• RQ2 面内磁場の適用が、BBGにおける超伝導転移温度および臨界磁場にどのように影響するか？
• RQ3 アイソスピン対称性の破れが、BBGにおける超伝導性の安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 不安定または欠陥を伴うスタッキングを必要とせずに、構造的に安定な二次元材料でスピン極化超伝導性を誘発できるか？
• RQ5 BBGにおける超伝導状態はパウリ反磁性限界を超えて安定であり、これは対称性の性質にどのような含意を持つのか？

主な発見

• バーナー二層グラフェンにおいて、ヴァン・ホーブ特異点にドーピングした状態で、B∥ ≈ 150 mTで超伝導性が出現し、Tc ≈ 30 mKである。
• 臨界磁場がスピン対称性状態の超伝導体におけるパウリ限界を上回っているため、スピン三重項対称性状態であると示唆される。
• 超伝導相は予想される反磁性限界を超えて存在しており、スピン三重項対称性状態であることを確認している。
• ゲート電圧でチューニング可能なアイソスピン極化相の連鎖的遷移が観測され、超伝導性の発現より前に対称性破れが生じている。
• ゼロ磁場における非線形輸送およびしきい値電流の低下は、スピン非極性状態の基底状態が有限のB∥でスピン極性状態に移行することを示している。
• 超伝導性の発現が、ゼロ磁場における対称性破れ相の破壊と正確に一致しており、アイソスピン秩序と超伝導性の直接的な関連性が示唆されている。