[論文レビュー] Possible superconductivity in multi-layer-graphene by application of a gate voltage

A. Ballestar, P. Esquinazi+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2012

Graphene research and applications参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、電場制御によるキャリア密度調制によって、多層グラフェン（MLG）において最大約17 Kの温度でゲート電圧誘起超伝導を実証した。輸送測定および表面電位顕微鏡を用いて、均一でないキャリアドーピングが3次元的超伝導転移を引き起こすことが判明し、平行および垂直磁場によって抑制される。これは、ゲートによって誘起される3次元的経路が、内在的な2次元的超伝導領域を接続するフィラメント状の超伝導経路であることを示唆している。

ABSTRACT

The carrier density in tens of nanometers thick graphite samples (multi-layer-graphene, MLG) has been modified by applying a gate voltage ($V_g$) perpendicular to the graphene planes. Surface potential microscopy shows inhomogeneities in the carrier density ($n$) in the sample near surface region and under different values of $V_g$ at room temperature. Transport measurements on different MLG samples reveal that under a large enough applied electric field these regions undergo a superconducting-like transition at $T \lesssim 17$ K. A magnetic field applied parallel or normal to the graphene layers suppresses the transition without changing appreciably the transition temperature.

研究の動機と目的

• 化学的イオンプレーションなしに、ドーピングされていない内在的多層グラフェン（MLG）における電場誘起超伝導を調査すること。
• ゲート電圧が低温下で十分なキャリア密度を誘起し、MLGにおける超伝導転移を引き起こせるかどうかを特定すること。
• 超伝導転移の磁場応答および異方性を調査し、超伝導状態の次元性および性質を推察すること。
• 観察された転移が、内在的な2次元的超伝導領域由来であるのか、あるいは静電的ドーピングによって形成された3次元的接続経路由来であるのかを明確にすること。

提案手法

• 多層グラフェン試料（数十ナノメートルの厚さ）に垂直方向のゲート電圧（Vg）を印加し、グラフェン面内のキャリア密度を制御する。
• さまざまなVg条件下で室温での表面電位顕微鏡を用いて、キャリア密度（n）の空間的不均一性をマッピングする。
• さまざまなゲート電圧下での温度依存抵抗を測定し、超伝導的転移を検出する。
• グラフェン面に対して平行および垂直方向に磁場を印加し、超伝導状態の性質および次元性を調べる。
• 異なる磁場方向における抵抗挙動を比較し、オービタル効果または対破壊効果を特定する。
• 抵抗の極小値および磁場下での挙動を分析し、内在的な2次元的超伝導領域を接続するフィラメント状の3次元的超伝導経路の存在を推察する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学的ドーピングやイオンプレーションなしに、ゲート電圧のみで多層グラフェンに超伝導を誘起できるか？
• RQ2 負のゲート電圧下で観察された約17 Kの超伝導的転移の起源は何か？
• RQ3 なぜ磁場応答において弱い異方性を示すのか？これは超伝導状態の次元性に何を示唆するか？
• RQ4 キャリア密度の不均一性は、MLGにおける超伝導経路の形成および安定性にどのように影響するか？
• RQ5 3次元的接続経路は、観察された超伝導挙動において果たす役割は何か？また、内在的な2次元的超伝導領域とはどのように異なるか？

主な発見

• 負のゲート電圧-100 Vの下で、多層グラフェン試料においてT ≤ 17 Kの超伝導的転移が観察され、臨界温度は約17 Kに近いことが示された。
• 表面電位顕微鏡により、室温でのキャリア密度（n）の空間的不均一性が明らかになり、非均一な静電的ドーピングが存在することが示唆された。
• グラフェン面に対して平行および垂直方向に磁場を印加したところ、臨界温度に顕著なシフトを伴わず転移が抑制された。これは弱い磁場異方性を示している。
• 垂直磁場下で抵抗に再入的挙動（reentrant behavior）が観察され、高磁場域でオービタル効果または増強されたアンドレーエフ反射確率が関与している可能性がある。
• わずかな垂直磁場（0.1 T）による転移の抑制と弱い異方性は、純粋な2次元的超伝導領域ではなく、3次元的フィラメント状経路の影響を示している。
• 結果は、ゲート電圧が内在的な2次元的超伝導領域を接続する3次元的超伝導経路を誘起しているという仮説を支持しており、3次元的転移温度はイオンプレーションされたグラファイト化合物に近いが、2次元的超伝導状態とは異なる。