[論文レビュー] Quantum-critical continuum in magic-angle twisted bilayer graphene

Alexandre Jaoui, Ipsita Das+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Graphene research and applications参考文献 5被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、スクリーニングを用いて超伝導および絶縁相を抑制することで、魔法の角度歪みヘリカル二層グラフェン（MATBG）における量子臨界連続体を同定した。40 mK から 20 K の温度範囲にわたり三桁にわたる温度スケールで T 線形抵抗率を示す、頑健なスラング・メタル状態が明らかになった。これはプランクスケーリング率と線形磁気抵抗を示しており、金属的基底状態において量子臨界フラクチュエーションが支配的であることを示唆し、超伝導の出現と直接的な関係がある。

ABSTRACT

The flat bands of magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) host strongly-correlated electronic phases such as correlated insulators, superconductors and a strange metal state. The latter state, believed to hold the key to a deeper understanding of the electronic properties of MATBG, is obscured by the abundance of phase transitions; so far, this state could not be unequivocally differentiated from a metal undergoing frequent electron-phonon collisions. We report on transport measurements in superconducting (SC) MATBG in which the correlated insulator states were suppressed by screening. The uninterrupted metallic ground state features a T-linear resistivity extending over three decades in temperature, from 40 mK to 20 K, spanning a broad range of dopings including those where a correlation-driven Fermi surface reconstruction occurs. This strange-metal behavior is distinguished by Planckian scattering rates and a linear magneto-resistivity $ ho \propto B$. To the contrary, near charge neutrality or a fully-filled flat band, as well as for devices twisted away from the magic angle, the archetypal Fermi liquid behavior is recovered. Our measurements demonstrate the existence of a quantum-critical phase whose fluctuations dominate the metallic ground state. Further, a transition to the strange metal is observed upon suppression of the SC order, which suggests an intimate relationship between quantum fluctuations and superconductivity in MATBG.

研究の動機と目的

• 魔法の角度歪みヘリカル二層グラフェン（MATBG）における金属的基底状態を、競合する相の相関状態を抑制することで分離・特徴づけること。
• 観察されたスラング・メタル行動が、量子臨界フラクチュエーションに起因するのか、それとも従来の電子-格子散乱に起因するのかを特定すること。
• 超伝導および絶縁状態から系をずらしてチューニングすることで、MATBGにおける量子臨界性と超伝導性の関係を調査すること。
• フラットバンド系における量子臨界性のサインとしてのプランクスケーリング散乱と線形磁気抵抗の普遍性を確立すること。

提案手法

• 電気的スクリーニングを用いて相関絶縁体および超伝導状態を抑制した超伝導性 MATBG デバイスで輸送測定を実施する。
• ゲート電圧を印加してフラットバンド領域のドーピングをチューニングし、チャージ中性点近傍および完全に満たされたバンド状態を含む。
• 広い温度範囲（40 mK から 20 K）で抵抗率を測定し、T 線形スケーリングの有無を特定する。
• 磁場依存性抵抗率を分析して、スラング・メタル行動の特徴である線形 B スケーリングの有無を検証する。
• 魔法の角度近傍のデバイスとそれからずれた角度のデバイスの輸送応答を比較し、量子臨界性を分離する。
• プランクスケーリング散乱率の分析を用いて、量子臨界フラクチュエーションと従来の散乱メカニズムを区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導および絶縁相を抑制することで、清浄で途切れのない金属的状態を MATBG で安定化できるか？
• RQ2 金属的状態は広い温度範囲で T 線形抵抗率を示すか。これはスラング・メタル行動を示唆する。
• RQ3 観察された輸送特性（プランクスケーリング散乱と線形磁気抵抗）は、量子臨界フラクチュエーションと整合的か？
• RQ4 スラング・メタル性の出現は、超伝導秩序の抑制とどのように関係しているか？
• RQ5 量子臨界行動はドーピングにわたって普遍的か、それとも特定の相図領域に限定されるか？

主な発見

• 40 mK から 20 K の広い温度範囲にわたり、三桁の温度スケールで T 線形抵抗率を示す連続的な金属的基底状態が観測された。
• 抵抗率は磁場に比例する（ρ ∝ B）という特徴を示し、これはスラング・メタル行動と一致するプランクスケーリング率の特徴である。
• プランクスケーリング散乱率が測定され、散乱時間が ħ/kBT のオーダーにあることが示され、これは量子臨界性の特徴である。
• チャージ中性点付近または完全に満たされたフラットバンド領域、および魔法の角度からずれたデバイスではフェルミ液体行動が回復され、スラング・メタル状態の特異性が確認された。
• 超伝導秩序の抑制がスラング・メタル状態の出現を引き起こし、量子揺らぎと超伝導性との直接的な関係があることを示唆した。
• 本結果は、フラクチュエーションが金属的状態を支配する MATBG における量子臨界連続体の存在を示し、その異常な電子的性質を統一的に理解するためのフレームワークを提供した。