[論文レビュー] Spectroscopic Signatures of Strong Correlations and Unconventional Superconductivity in Twisted Trilayer Graphene

Hyunjin Kim, Youngjoon Choi+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2021

Graphene research and applications被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、高分解能走査トンネル顕微鏡および分光法を用いて、魔法の角度でねじれた三層グラフェン（MATTG）における強い電子相関および非単純超伝導性を明らかにした。ドーピング依存の整合性ピークおよびディップ・ハム構造の観察により、鏡対称性を持つA-tw-A積層構造におけるボソンモードへの強い結合を示唆する、ゲートで調整可能なBCSからBECへの転移とノードを持つ秩序パラメータを特定した。

ABSTRACT

Magic-angle twisted trilayer graphene (MATTG) has emerged as a novel moiré material that exhibits both strong electronic correlations and unconventional superconductivity. However, spectroscopic studies of its electronic properties are lacking, and the nature of superconductivity and the corresponding order parameter in this system remain elusive. Here we perform high-resolution scanning tunneling microscopy and spectroscopy of MATTG and reveal extensive regions of atomic reconstruction that favor mirror-symmetric stacking. In these regions, we observe a cascade of symmetry-breaking electronic transitions and doping-dependent band structure deformations similar to those realized in magic-angle bilayers, as expected theoretically given the commonality of flat bands. More strikingly, in a density window spanning two to three holes per moire unit cell, spectroscopic signatures of superconductivity are manifest as pronounced dips in the tunneling conductance at the Fermi level accompanied by coherence peaks that become gradually suppressed at elevated temperatures and magnetic fields. The observed evolution of the conductance with doping is consistent with a gate-tunable transition from a gapped to a nodal superconductor, which we show theoretically is compatible with a sharp transition from a Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) to a Bose-Einstein condensation (BEC) superconductor with a nodal order parameter. Within this doping window, we also detect peak-dip-hump structures suggesting that superconductivity is driven by strong coupling to bosonic modes of MATTG. Our results pave the way for further understanding of superconductivity and correlated states in graphene-based moiré structures beyond twisted bilayers, where unconventional superconductivity and nodal pairing were reported.

研究の動機と目的

• 高分解能分光法を用いて、魔法の角度でねじった三層グラフェン（MATTG）の電子的性質を調査すること。
• 強相関が観測されているにもかかわらず、依然として解明されていないMATTGにおける超伝導性および秩序パラメータの性質を特定すること。
• MATTGにおける電子的挙動が、フラットバンドおよび対称性の破れ転移の観点から、ねじった二層グラフェンに類似しているかどうかを調査すること。
• 原子再配置および積層順序が、相関状態および超伝導状態を安定化させる役割を同定すること。

提案手法

• ねじれ角1.5°のMATTGデバイスに対して、高分解能走査トンネル顕微鏡（STM）および分光法（STS）を実施する。
• ゲート電圧を関数としてトンネル電導度dI/dVを測定し、ドーピング依存の電子構造を調べる。
• 整合性ピーク、ディップ・ハム構造、ギャップの進化といったスペクトル特徴を分析し、超伝導ペアリング対称性を推定する。
• 正規化された電導度データにDynes式のフィットを適用し、等方的およびノードを持つギャップ対称性を区別する。
• 化学ポテンシャルを変化させたノードを持つd波ギャップを用いて、BEC-BCS遷移領域における微分電導度をシミュレートする。
• Landauファン図および局所状態密度（LDOS）を用いて、Landau準位の量子化と超伝導状態および相関状態の相関関係を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 魔法の角度でねじった三層グラフェンにおける超伝導秩序パラメータの性質は何か？
• RQ2 電気的ドーピングに伴う超伝導ギャップの進化はどのように変化し、ペアリング機構に何を示唆するか？
• RQ3 観測された分光的特徴は、BCSからBECへの遷移を示唆しているか？
• RQ4 ピーク・ディップ・ハム構造から、ボソンモードが超伝導性を媒介する役割を果たしているとされる根拠は何か？
• RQ5 原子再配置は、MATTGにおける積層構造および電子的相関にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 原子再配置によって誘導される鏡対称性を持つA-tw-A積層構造を示す、特徴的な三角形モアレ格子が観測された。
• 空孔ドーピング領域（モアレ単位セルあたり2〜3個のホール）では、トンネル電導度に顕著な整合性ピークおよびディップ・ハム構造が現れ、強結合超伝導性を示唆した。
• 温度および磁場依存の電導度の進化から、ギャップ状態からノードを持つ超伝導体へのゲートで調整可能な転移が示された。
• データは、ノードを持つ秩序パラメータを伴う、Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）からBose-Einstein凝縮（BEC）への鋭い転移と整合的である。
• ピーク・ディップ・ハム構造は、ボソンモードへの強い結合を示唆し、抽出されたボソンモードエネルギーは1.26〜1.44 meVの範囲にあった。
• Landauファン図から、電荷中性点およびフラットバンドの整数充填状態からのLandau準位の量子化が観測され、相関状態の存在を支持した。