[論文レビュー] Observation of superconductivity in bilayer graphene/hexagonal boron nitride superlattices

Satoshi Moriyama, Yoshifumi Morita+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2019

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 35被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、二層グラフェンと六方晶ボロンナイトライド（hBN）からなるファンデルワールスヘテロ構造において、モアレ超格子を形成することで、電気的にチューナブルな超伝導性が実証された。イン situ 電気ドーピングにより、臨界温度が最大14 Kに達する超伝導ドームが観測され、ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）機構によるヴォルテックス閉じ込めが示唆され、2次元材料における原子層超伝導体の新しい道筋が確立された。

ABSTRACT

A class of low-dimensional superconductivity (SC), such as most of "atomic-layer" SCs, has survived only under certain circumstances, implying a role of the substrate. Moreover, in some recent SC discoveries at heterogeneous interfaces, SC was buried in bulk solids and ex situ. Genuine atomic-layer SC is difficult to access. Here we report a novel route to atomic-layer SC in graphene superlattices. Our device comprises stacked non-twisted bilayer graphene (BLG) and hexagonal boron nitride (hBN), i.e., hBN/BLG/hBN Moiré superlattices. Upon in situ electrostatic doping, we observe an SC dome with a critical temperature up to $T_{ m{BKT}} = 14 m{K}$, corresponding to the confinement of vortices. We believe that SC via doping Dirac materials is ubiquitous in condensed matter and that this study paves a way toward the design of a new SC family.

研究の動機と目的

• 二層グラフェンと六方晶ボロンナイトライドからなる原子的に薄い2次元ヘテロ構造において、超伝導性がどのように出現するかを調査すること。
• モアレ周期性を有するファンデルワールスヘテロ構造において、電気的ドーピングによって超伝導性が誘発され、制御可能かどうかを検討すること。
• これらの設計された2次元スーパーラティスにおける超伝導性の臨界温度とメカニズムを特定すること。
• 2次元材料における内在的で原子層超伝導体を設計・研究するための新しいプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 二層グラフェンと六方晶ボロンナイトライドの層が整列し、ねじれがない状態で配置された hBN/BLG/hBN ヘテロ構造を形成し、モアレスーパーラティスを構築すること。
• ドーピング密度をディラック点を通過し、超伝導領域へと変化させるイン situ 電気ゲートを用いて、キャリア密度をチューニングすること。
• 抵抗および微分コンダクタンスの測定を通じて、電気的輸送特性を測定し、超伝導転移を同定すること。
• ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）理論を用いて、超伝導ドームおよびヴォルテックスの分離行動を解析し、臨界温度を抽出すること。
• 高品質な六方晶ボロンナイトライドのカプセル化を用いて、二層グラフェン系における不純物の影響を最小限に抑え、コherenecyを向上させること。
• ゲート電圧と温度を系統的に変化させ、超伝導相図をマップすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イン サイと電気的ドーピングを用いて、二層グラフェン/hBN ヘテロ構造に超伝導性を制御可能に誘発できるか。
• RQ2 このような2次元スーパーラティスで達成可能な最大臨界温度は何か。また、超伝導転移を支配するメカニズムは何か。
• RQ3 モアレスーパーラティスのポテンシャルが、二層グラフェンにおけるクーパー対のペアリング機構とコherenecyにどのように影響するか。
• RQ4 観測された超伝導性は2次元界面に内在するものであり、基板やバルク効果によって媒介されているものか。
• RQ5 超伝導ドームは、明確に定義された原子層ヘテロ構造においてチューニング可能かつ安定化可能か。

主な発見

• ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）機構を用いた解析により、hBN/BLG/hBN ヘテロ構造で最大14 Kの臨界温度を示す超伝導性が観測された。
• イン サイと電気的ゲートを用いたチューニングにより、超伝導ドームが電気的に制御可能であり、ゲートで制御可能な超伝導相であることが示された。
• 超伝導転移はヴォルテックスの分離と整合的であり、2次元における超伝導性のBKT状況を支持する。
• 不純物が最小限に抑えられたクリーンでカプセル化された2次元系で超伝導性が出現しており、ペアリングの内在的性質を示唆している。
• 14 Kの臨界温度は、2次元ファンデルワールスヘテロ構造における内在的で原子層超伝導体として報告された最高水準の値の一つである。
• 結果として、ヘテロ構造化と電気的制御を用いることで、ディラック材料における超伝導性を設計的に実現できることを示し、2次元超伝導体の新種の道筋を開いた。