[論文レビュー] Large Pauli Limit Violation and Reentrant Superconductivity in Magic-Angle Twisted Trilayer Graphene

Yuan Cao, Jeong Min Park+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Graphene research and applications被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、魔法の角度でねじれた三層グラフェン（MATTG）において、スピン対のペアリングを想定する場合の予想を裏切る、10 Tを超える面内磁場下でも超伝導が持続するという、大きなパウリ限界の破れを実証した。再発超伝導と全体のドームにわたる頑健な超伝導の観察は、強い関連性とバルク-スピンロックによって駆動される非スピン対称性、おそらくスピン三重項のペアリング機構を示唆し、2次元の関連系における従来のBCS理論に挑戦する。

ABSTRACT

Moiré quantum matter has emerged as a novel materials platform where correlated and topological phases can be explored with unprecedented control. Among them, magic-angle systems constructed from two or three layers of graphene have shown robust superconducting phases with unconventional characteristics. However, direct evidence for unconventional pairing remains to be experimentally demonstrated. Here, we show that magic-angle twisted trilayer graphene (MATTG) exhibits superconductivity up to in-plane magnetic fields in excess of 10 T, which represents a large ($2\sim3$ times) violation of the Pauli limit for conventional spin-singlet superconductors. This observation is surprising for a system which is not expected to have strong spin-orbit coupling. Furthermore, the Pauli limit violation is observed over the entire superconducting phase, indicating that it is not related to a possible pseudogap phase with large superconducting amplitude pairing. More strikingly, we observe reentrant superconductivity at large magnetic fields, which is present in a narrower range of carrier density and displacement field. These findings suggest that the superconductivity in MATTG is likely driven by a mechanism resulting in non-spin-singlet Cooper pairs, where the external magnetic field can cause transitions between phases with potentially different order parameters. Our results showcase the richness of moiré superconductivity and may pave a new route towards designing next-generation exotic quantum matter.

研究の動機と目的

• 高めの面内磁場下における魔法の角度でねじった三層グラフェン（MATTG）における超伝導のスピン配置を調査すること。
• 観察された超伝導が、スピン対のペアリングを特徴とする超伝導体の特徴であるパウリ限界を破るかどうかを特定すること。
• モアレ量子材料における再発超伝導の起源とペアリング対称性への影響を探索すること。
• パウリ限界の破れの主な原因として、従来のメカニズム（例えば、FFLO状態や強い結合効果）を除外すること。
• MATTGにおけるスピン三重項または非ユニタリペアリング状態の証拠を特定すること。これはバルク-スピンロックと関連している可能性がある。

提案手法

• キャリア密度とディスplaceメント電場をトップおよびボトムゲートで制御できるMATTGデバイスを用い、低温四端子量子輸送測定を実施した。
• 上部臨界磁場の挙動とパウリ限界の破れを調べるため、最大10 Tまでの面内磁場を印加した。
• B–T（磁場–温度）平面における超伝導相図をマッピングし、臨界抵抗と電圧-電流曲線を分析した。
• BKT（ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース）遷移解析を用いて、超伝導相とその剛性を同定した。
• オービタルペアブレイキングおよびバルク自由度の効果を含む、スピン対称性とスピン三重項ペアリングの理論モデルと実験データを比較した。
• ドーピングおよび磁場の全範囲にわたる超伝導相の進化を分析し、再発的挙動と相転移を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MATTGにおける超伝導は、パウリ限界を越えて持続するか。これは非単純ペアリングの兆候であるか。
• RQ2 強いスピン軌道結合がない系で、2～3倍も高いパウリ限界の破れが観測される原因は何か。
• RQ3 なぜ再発超伝導はキャリア密度およびディスプレースメント電場の狭い範囲でのみ観測されるのか。
• RQ4 観察された挙動は、従来のメカニズム（例：FFLO状態や強い結合効果）で説明可能か。
• RQ5 MATTGにおける超伝導ペアリングはスピン三重項である可能性が高く、バルク-スピンロックは高磁場相の安定化にどのような役割を果たすのか。

主な発見

• MATTGにおける超伝導は、10 Tを超える面内磁場下でも持続しており、これは従来のスピン対のペアリング超伝導体のパウリ限界の2～3倍の破れを示している。
• パウリ限界の破れは、超伝導ドーム全体にわたり観察され、仮想ギャップや不均一相に起因する説明を除外する。
• 高磁場下で再発超伝導が観測され、キャリア密度およびディスプレースメント電場の狭い範囲に限定されており、第一種相転移の可能性を示唆している。
• 臨界磁場の挙動は、Tcまで二次関数的B–T依存性を示し、有限温度でも高磁場超伝導状態が持続することを示しており、これはFFLO状態と整合しない。
• 大きなパウリ限界の破れと再発挙動は、強い結合BCSやFFLOメカニズムでは説明できず、非スピン対称性ペアリング機構を示唆する。
• データは、バルク-スピンロック秩序が関与するスピン三重項または非ユニタリペアリング状態を支持しており、低磁場相（SC-I）と高磁場相（SC-II）にはそれぞれ異なる秩序パラメータが存在する。