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QUICK REVIEW

[論文レビュー] Nematicity and Orbital Depairing in Superconducting Bernal Bilayer Graphene with Strong Spin Orbit Coupling

Ludwig Holleis, Caitlin L. Patterson|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2023
Graphene research and applications参考文献 64被引用数 21
ひとこと要約

本論文は、WSe2上のBernal二層グラフェン(BBG)に近接誘起のIsingスピン軌道結合を用いた状態で、SC1とSC2という二つの超伝導状態を報告する。SC2はネマティックなノーマル状態から生じる。両状態は平面内磁場に対してロバストで、パラ磁気限界を破る。超伝導の強化はIsing SOCへと結びつく。

ABSTRACT

Superconductivity (SC) is a ubiquitous feature of graphite allotropes, having been observed in Bernal bilayers[1], rhombohedral trilayers[2], and a wide variety of angle-misaligned multilayers[3-6]. Despite significant differences in the electronic structure across these systems, supporting the graphite layer on a WSe$_2$ substrate has been consistently observed to expand the range of SC in carrier density and temperature[7-10]. Here, we report the observation of two distinct superconducting states (denoted SC$_1$ and SC$_2$) in Bernal bilayer graphene with strong proximity-induced Ising spin-orbit coupling. Quantum oscillations show that while the normal state of SC$_1$ is consistent with the single-particle band structure, SC$_2$ emerges from a nematic normal state with broken rotational symmetry. Both superconductors are robust to in-plane magnetic fields, violating the paramagnetic limit; however, neither reach fields expected for spin-valley locked Ising superconductors. We use our knowledge of the Fermi surface geometry of SC$_1$ to argue that superconductivity is limited by orbital depairing arising from the imperfect layer polarization of the electron wavefunctions. Finally, a comparative analysis of transport and thermodynamic compressibility measurements in SC$_2$ shows that the proximity to the observed isospin phase boundaries, observed in other rhombohedral graphene allotropes, is likely coincidental, constraining theories of unconventional superconducting pairing mechanisms in theses systems.

研究の動機と目的

  • 近接誘起Isingスピン軌道結合（SOC）がWSe2上のBernal二層グラフェン（BBG）における超伝導性に及ぼす影響を調べる。
  • SC1とSC2という異なる超伝導状態とそれらのノーマル状態のフェルミ統計を特定・特徴づける。
  • SC2の出現におけるネマティック秩序の役割と、それが超伝導性に及ぼす影響を明らかにする。
  • Ising SOCの下での超伝導性の増強と場依存性を定量化する。
  • SOCが平面内磁場に対する耐性およびパラ磁気限界への影響を評価する。

提案手法

  • Ising SOCを含む近似的バンド構造を用いたテンプレート・バンドモデルを用いて低エネルギー電子構造を解釈する。
  • 電気伝導と量子振動（Shubnikov–de Haas）を測定してフェルミ面のトポロジーを描出し、Luttinger和則を検証する。
  • Landau準位の一致から近接誘起Ising SOCの強さ（λI）を決定する。
  • 非線形輸送とBerezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）適合を用いて超伝導転移を分析し、TcとTBKTを抽出する。
  • Tcの平面内磁場依存性をIsing-SOC予測のスケーリング Tc/Tc0 = 1 − B_parallel^2/(B_SO B_P)に対して検証する。
  • SOCを持つBBG/WSe2とSOCなし結晶グラーフェンとの比較として、抵抗と逆圧縮率 κを同時測定して超伝導を比較する。
Figure 1: Superconductivity in Bernal bilayer graphene (BBG) on WSe 2 . (A) Sample schematic showing dual gated BBG on WSe 2 . (B) Band structure calculated within a tight binding model including Ising SOC. Bands correspond to the different isospin flavors as indicated. Here $a_{0}$ = 2.46 Åis the g
Figure 1: Superconductivity in Bernal bilayer graphene (BBG) on WSe 2 . (A) Sample schematic showing dual gated BBG on WSe 2 . (B) Band structure calculated within a tight binding model including Ising SOC. Bands correspond to the different isospin flavors as indicated. Here $a_{0}$ = 2.46 Åis the g

実験結果

リサーチクエスチョン

  • RQ1BBG上のWSe2はIsing SOC下で複数の超伝導状態を持つか。
  • RQ2SC1とSC2が凝縮するノーマル状態の性質は何か、ネマティック秩序は関与するか。
  • RQ3Ising SOCは平面磁場に対する超伝導の頑健性とパラ磁気限界にどう影響するか。
  • RQ4フェルミ統計とネマティシティの変化はこの系での超伝導性の増強と関連するか。
  • RQ5Tcと平面内磁場のスケーリングは、Ising超伝導性が異なる密度と置換場にわたって一貫しているか。

主な発見

  • 穴ドープBBG/WSe2で大きな置換場においてSC1とSC2という二つの異なる超伝導状態が現れ、SC1のTcは約40 mK、SC2はより高いTcを達成しBKT温度 TBKT ≈ 255 mK に近い。
  • SC2は回転対称性を破るネマティックノーマル状態（N2,4）から生じ、量子振動数の進展とLuttinger和則解析から明らかになる。
  • SC1とSC2は平面内磁場に対してロバストでパラ磁気限界を破ることが確認され、Isingスピン軌道結合超伝導性と整合する。Tcは平面場とともに、B_SOおよびB_Pを含む法則に従ってスケーリングする。
  • 測定されたIsing SOC強度はλI ≈ 1.6 meVで、SOCの存在下のフェルミ面トポロジーが観測されたLandau準位の一致と複数の振動周波数（fν）を説明し、一般化Luttinger和則を満たす。
  • SC2の場依存性は普遍的スケーリングη = Tc/(1 − B_parallel^2/(B_SO B_P))に収束しており、スピン定義フェルミ面間の対形成がIsing超伝導性の機構としてスピン-バレーの固定化を支持する。
  • 近接SOCを持たないグラフェン系との比較では、BBG/WSe2の超伝導は強化されており、アイソスピン転移だけに結びつくものではなく、ネマティック秩序のSOC誘導安定化が高Tcへの道筋である可能性を示唆する。
Figure 2: Fermiology of the superconducting states in the presence of Ising SOC. (A) R xx at $D$ = 0.95 V/nm, including the domain of SC 1 . (B) Fourier transform of $R_{xx}(1/B_{\perp})$ over the same density range. The Fourier transforms are performed over a field range of 130 - 400 mT and 130 - 2
Figure 2: Fermiology of the superconducting states in the presence of Ising SOC. (A) R xx at $D$ = 0.95 V/nm, including the domain of SC 1 . (B) Fourier transform of $R_{xx}(1/B_{\perp})$ over the same density range. The Fourier transforms are performed over a field range of 130 - 400 mT and 130 - 2

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このレビューはAIが作成し、人間の編集者が確認しました。