[論文レビュー] Superconductivity and strong interactions in a tunable moiré quasiperiodic crystal

Aviram Uri, Sergio C. de la Barrera+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2023

Quasicrystal Structures and Properties被引用数 8

ひとこと要約

論文は、二つの不整合なねじれ角を持つ三層グラフェンから構築された tunable moiré quasiperiodic crystal における超伝導と強相互作用を示し、周期様と準周期的な電子領域と、フレーバー対称性破れ転移を明らかにする。

ABSTRACT

Electronic states in quasiperiodic crystals generally preclude a Bloch description, rendering them simultaneously fascinating and enigmatic. Owing to their complexity and relative scarcity, quasiperiodic crystals are underexplored relative to periodic and amorphous structures. Here, we introduce a new type of highly tunable quasiperiodic crystal easily assembled from periodic components. By twisting three layers of graphene with two different twist angles, we form two moiré patterns with incommensurate moiré unit cells. In contrast to many common quasiperiodic structures that are defined on the atomic scale, the quasiperiodicity in our system is defined on moiré length scales of several nanometers. This novel "moiré quasiperiodic crystal" allows us to tune the chemical potential and thus the electronic system between a periodic-like regime at low energies and a strongly quasiperiodic regime at higher energies, the latter hosting a large density of weakly dispersing states. Interestingly, in the quasiperiodic regime we observe superconductivity near a flavor-symmetry-breaking phase transition, the latter indicative of the important role electronic interactions play in that regime. The prevalence of interacting phenomena in future systems with in situ tunability is not only useful for the study of quasiperiodic systems, but it may also provide insights into electronic ordering in related periodic moiré crystals. We anticipate that extending this new platform to engineer quasiperiodic crystals by varying the number of layers and twist angles, and by using different two-dimensional components, will lead to a new family of quantum materials to investigate the properties of strongly interacting quasiperiodic crystals.

研究の動機と目的

• 周期的モアレ結晶を超える準周期的電子系の探究を促す。
• 二つの異なるねじれ角をもつ trilayer graphene から成る tunable moiré quasiperiodic crystal (MQC) を導入する。
• キャリア密度の変化に伴う電子構造の周期様から準周期的領域への進化を特徴づける。
• MQC における相互作用駆動現象（フレーバー対称性破れや超伝導を含む） を調査する。

提案手法

• 二つの交互に異なるねじれ角を持つトライレイヤーグラフェンを封入した hBN 介在デバイスを作製する。
• キャリア密度と電場分離を変調して異なる電子領域にアクセスする。
• ランドゥ曲線と量子振動を同定するため四端子輸送測定と磁場依存性を用いる。
• 低エネルギーのディラック錐を正規化された速度と D-field 誘起ポテンシャルシフトでモデル化し、Landauレベルスペクトルを解釈する。
• モーレ空間の一般化 Umklapp 散乱を用いた運動量空間のtight-bindingによるスペクトル関数を計算し、観測された準周期的特徴と理論を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二つの不整合ねじれ角を持つ trilayer graphene 系は tunable moiré quasiperiodic crystal (MQC) を実現できるか。
• RQ2 密度と分離場を変えると、電子構造は周期様と準周期的領域の間でどのように進化するか。
• RQ3 MQC における相互作用の指標（フレーバー対称性破れや超伝導など）はどう現れるか。
• RQ4 MQC における三層のディラック錐はどのように混成し、D-field にどう応答するか。
• RQ5 このプラットフォームで観測された準周期性と超伝導状態の関係はどうなるか。

主な発見

• T_BKT ≈ 300 mK の零抵抗を伴う二つの超伝導ポケットを同定。
• ν12 ≈ -2 附近の霍爾密度の低下を伴うフレーバー対称性破れ相転移を観測。
• より高密度での n_s,12 ≈ 4.7×10^12 cm^-2 および n_s,23 のモアレ単位細胞充填の証拠、モアレ準結晶の確認。
• 高密度および分離場での密な回避交差とランドゥレベルの可視性低下を伴う準周期的領域の実証。
• 非マジック角モアレ系における強結合様の超伝導（Tc/TF ≈ 0.008、コヒーレンス長 ξ ≈ 70 nm、d ≈ 7.5 nm、TF ≈ 50 K）。
• スペクトル関数計算は、周期様Bloch様状態から密な準周期スペクトルへの遷移と層解像寄与を示す。