[論文レビュー] Signatures of Chiral Superconductivity in Rhombohedral Graphene

Tonghang Han, Zhengguang Lu+21 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2024

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、モアレ超格子を有しないルホンブルヒカルテトラ層およびペンタ層グラフェンにおいて、頑健な非規則的超伝導を報告している。時間反転対称性の自発的破れ、面外磁場下での抵抗の磁気ヒステリシス、面内磁場に対する耐性、および最大1.4 Tの臨界磁場を示すことで、キラル超伝導の兆候を示している。これらの発見は、トポロジカル超伝導およびマヨラナフェルミオン研究のための純炭素プラットフォームを確立する。

ABSTRACT

Chiral superconductors are unconventional superconducting states that break time reversal symmetry spontaneously and typically feature Cooper pairing at non-zero angular momentum. Such states may host Majorana fermions and provide an important platform for topological physics research and fault-tolerant quantum computing. Despite intensive search and prolonged studies of several candidate systems, chiral superconductivity has remained elusive so far. Here we report the discovery of robust unconventional superconductivity in rhombohedral tetra- and penta-layer graphene in the absence of moiré superlattice effects. We observed two superconducting states in the gate-induced flat conduction bands with Tc up to 300 mK and charge density ne as low as 2.4*1011 cm-2 in three tetralayer and two pentalayer devices. Spontaneous time-reversal-symmetry-breaking (TRSB) due to electron's orbital motion is found, and several observations indicate the chiral nature of these superconducting states, including: 1. In the superconducting state, Rxx shows magnetic hysteresis in varying out-of-plane magnetic field B, which is absent from all other superconductors; 2. the superconducting states are immune to in-plane magnetic field and are developed within a spin- and valley-polarized quarter-metal phase; 3. the normal states show anomalous Hall signals at zero magnetic field and magnetic hysteresis. We also observed a critical B of up to 1.4 Tesla, higher than any graphene superconductivity reported so far and indicates a strong-coupling superconductivity close to the BCS-BEC crossover. Our observations establish a pure carbon material for the study of topological superconductivity, and pave the way to explore Majorana modes and topological quantum computing.

研究の動機と目的

• モアレ超格子を有しないルホンブルヒカル多層グラフェンにおける非規則的超伝導の同定および特徴付け。
• 観測された超伝導状態が時間反転対称性を自発的に破るかどうかの特定。
• フラットバンドを有するグラフェン系におけるコープ粒子対のキラル性の調査。
• 炭素ベースのプラットフォームでマヨラナフェルミオンを実現する可能性の探求。
• van der Waals異種積層構造においてBCS-BEC遷移付近の強い結合超伝導状態の確立。

提案手法

• ゲートドーピングにより、低キャリア密度（ne = 2.4×10¹¹ cm⁻²）の平坦な伝導帯を有するルホンブルヒカルテトラ層およびペンタ層グラフェンデバイスを誘導。
• 面外および面内磁場を変化させた状態での電気的輸送特性、特に縦抵抗Rxxの測定。
• 常磁性状態における異常ホール効果および面外磁場スイープ下でのRxxにおける磁気ヒステリシスの検出。
• 超伝導転移温度Tcが最大300 mK、臨界磁場Bcが最大1.4 Tに達することの分析。
• キラル超伝導の前身としてのスピンおよびバルク度が偏った準金属相（クォーターメタル相）の使用。
• 複数のデバイス間での輸送応答の比較により、時間反転対称性の破れの兆候の再現性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ルホンブルヒカル多層グラフェンにおける超伝導は、時間反転対称性の自発的破れを示すか？
• RQ2 面外磁場下でのRxxにおける磁気ヒステリシスによって示されるように、観測された超伝導状態はキラル的か？
• RQ3 モアレ超格子を有しない純炭素系でキラル超伝導が出現しうるか？
• RQ4 超伝導の臨界磁場の強さは、BCS-BEC遷移付近の強い結合を示唆するか？
• RQ5 超伝導状態は面内磁場に対して頑健であり、キラル対称性と整合的か？

主な発見

• ルホンブルヒカルテトラ層およびペンタ層グラフェンで2つの超伝導状態が観測され、Tcは最大300 mK、キャリア密度は2.4×10¹¹ cm⁻²にまで低下した。
• 面外磁場下でのRxxにおける磁気ヒステリシスは、超伝導状態でのみ観測され、時間反転対称性の自発的破れを示している。
• 超伝導状態は面内磁場に対して頑健であり、キラル対称性と整合的である。
• 常磁性状態における異常ホール信号および磁気ヒステリシスは、事前にキラル状態が存在することを示唆しており、おそらくクォーターメタル相である。
• 臨界磁場は最大1.4 Tに達し、グラフェン超伝導体で報告された中で最高であり、BCS-BEC遷移付近の強い結合行動を示している。
• モアレ超格子の欠如は、キラル超伝導がルホンブルヒカル積層に起因する内在的電子相関から生じることを確認している。