[論文レビュー] Observation of superconductivity with Tc onset at 12K in electrically tunable twisted double bilayer graphene

Cheng Shen, Na Li+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2019

Graphene research and applications被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、超伝導転移温度の開始が12 Kに達する電気的にチューナブルなねじれ二重層グラフェンにおける超伝導性の電気的チューニングを示した。電位勾配を印加することで、系内のフラットバンドをチューニングし、半フィルイン状態で相関絶縁体状態と、g要因が約2のスピン極化の証拠を観測した。これにより、量子多体現象を研究するのに非常にチューナブルなプラットフォームであることが確立された。

ABSTRACT

Electron-electron interactions play an important role in graphene and related systems and can induce exotic quantum states, especially in a stacked bilayer with a small twist angle. For bilayer graphene where the two layers are twisted by a magic angle, flat band and strong many-body effects lead to correlated insulating states and superconductivity. In contrast to monolayer graphene, the band structure of untwisted bilayer graphene can be further tuned by a displacement field, providing an extra degree of freedom to control the flat band that should appear when two bilayers are stacked on top of each other. Here, we report the discovery and characterization of such displacement-field tunable electronic phases in twisted double bilayer graphene. We observe insulating states at a half-filled conduction band in an intermediate range of displacement fields. Furthermore, the resistance gap in the correlated insulator increases with respect to the in-plane magnetic fields and we find that the g factor according to spin Zeeman effect is ~2, indicating spin polarization at half filling. These results establish the twisted double bilayer graphene as an easily tunable platform for exploring quantum many-body states.

研究の動機と目的

• ねじれ二重層グラフェンにおける量子多体状態の探索、この系はチューナブルなフラットバンドを有する。
• 電子間相互作用が相関絶縁体および超伝導相を誘起する役割を調査すること。
• 印加された電位勾配が電子構造および相関状態の出現に与える影響を特定すること。
• 平面内磁場依存性を用いて絶縁体状態のスピン極化を特徴付けること。
• ねじれ二重層グラフェンを、相関電子物理学を研究するための高効率なチューナブルプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 二重層間のねじれ角を制御したねじれ二重層グラフェンヘテロ構造の作製。
• トップゲートおよびバックゲートを用いた電位勾配の印加によりバンド構造をチューニングし、フラットバンドを誘導すること。
• 電位勾配および磁場を変化させた状態での電気的輸送特性（抵抗およびホール効果）の測定。
• 平面内磁場を用いてゼーマン効果を介し、スピン極化をプローブし、g要因を抽出すること。
• 磁場下での抵抗ギャップの進化を分析し、絶縁体状態の性質を推測すること。
• 半フィルイン状態のバンドフィルインと、絶縁体および超伝導相の出現との相関を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気的電位勾配を用いることで、ねじれ二重層グラフェンにおける超伝導性を誘起およびチューニングできるか？
• RQ2 電位勾配の印加がフラットバンドおよび相関絶縁体状態の形成に与える影響は何か？
• RQ3 平面内磁場応答から明らかになる、半フィルイン状態における絶縁体状態のスピン極化の性質は何か？
• RQ4 絶縁体状態におけるg要因の値は何か？これはスピンゼーマン分裂に何を示唆するか？
• RQ5 平面内磁場下での相関絶縁体の抵抗ギャップはどのように変化するか？

主な発見

• 電気的場のチューニング下で、ねじれ二重層グラフェンに12 KのTcを示す超伝導性が観測された。
• 中程度の電位勾配範囲において、伝導帯の半フィルイン状態で相関絶縁体状態が出現した。
• 絶縁体の抵抗ギャップは平面内磁場の増加とともに増大し、エネルギー分裂の増強を示した。
• ゼーマン分裂から抽出されたg要因は約2であり、半フィルイン状態における強いスピン極化を示した。
• 電位勾配によりフラットバンドがチューナブルであり、相関電子状態の制御が可能であることがわかった。
• ねじれ二重層グラフェンは、超伝導性およびスピン極化絶縁体を含む、豊富な相図を示した。