[論文レビュー] The interplay of insulating and superconducting orders in magic-angle graphene bilayers

Petr Stepanov, Ipsita Das+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2019

Graphene research and applications参考文献 5被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、金属的スクリーニング層とMAG層の距離を調整することにより、魔法の角度でねじれた二重グラフェン（MAG）における絶縁相と超伝導相を直接的かつ独立して制御することを示した。距離が約0.5 nm（Wannier軌道の拡がり）未満になると、相関絶縁相が消失し、h/2e²の量子化されたホール抵抗を示すチャーンバンドが出現する。これは軌道磁性を示しており、これらの相の微視的起源が異なることを示唆し、従来の母娘的関係の仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

The recent discovery of superconducting and correlated insulating states coexisting in magic-angle twisted bilayer graphene (MAG) at commensurate fillings have raised fascinating questions about the interplay of these orders. Tuning electron-electron inter-actions in MAG would shed light on the individual roles of these phases and their intri-cate relationship. Here we report on a new method to control electronic interactions in a correlated system, by varying the separation of a metallic screening layer in ultra-close proximity to a MAG layer. We observe that correlated insulators disappear when the separation becomes smaller than the extent of Wannier orbitals, w 0.5 tesla, exhibiting Chern bands with quan-tized Hall resistance of h/2e2 consistent with orbital magnetism. Our study establishes direct and independent control of the insulating and superconducting phases, pointing to their possibly distinct microscopic origin. The re-examination of the often-assumed mother-child relation between these phases, triggered by these observations, illustrates a new technique to directly probe microscopic mechanisms of anomalous superconductivity in MAG and other strongly-correlated systems.

研究の動機と目的

• 魔法の角度でねじれた二重グラフェン（MAG）における超伝導秩序と絶縁秩序の相乗作用を調査すること。
• これらの相が共通の微視的起源を持つのか、それとも独立に生じるのかを特定すること。
• 相関系MAG系における電子相互作用を独立して調整する手法を開発すること。
• MAGおよび関連する強い相関系における異常超伝導の微視的メカニズムを解明すること。

提案手法

• 金属的スクリーニング層を魔法の角度でねじれた二重グラフェン（MAG）層に極めて近接して配置し、電子間相互作用を調整する。
• MAG層とスクリーニング層の間隔を系統的に変化させ、電子相関の強さを調整する。
• 輸送測定を用いて系の電子的応答を調査し、特に抵抗および量子化されたホール効果に注目する。
• Wannier軌道の拡がり（w ≈ 0.5 nm）を、電子相の遷移を解釈するための重要な長さスケールとして用いる。
• チャーンバンドの形成は、h/2e²の量子化されたホール抵抗を測定することで特定される。これは時間反転対称性の破れおよび軌道磁性を示唆する。
• この手法により、絶縁相と超伝導相の調整パラメータを分離することで、両者の独立した制御が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属的スクリーニング層とMAG層の距離を変化させると、相関絶縁相および超伝導相の安定性にどのように影響するか？
• RQ2 Wannier軌道の拡がりとMAGにおけるトポロジカルなチャーンバンドの出現との関係は何か？
• RQ3 MAGにおける絶縁相と超伝導相は、微視的に異なる起源を持つのか、それとも母娘的関係にあるのか？
• RQ4 外部的スクリーニングを用いることで、これらの相の相乗作用を独立して制御できるか？
• RQ5 軌道磁性は、MAGにおける絶縁状態からトポロジカル状態への遷移において、どのような役割を果たすか？

主な発見

• MAG層と金属的スクリーニング層の距離がWannier軌道の拡がり（～0.5 nm）未満になると、相関絶縁状態が消失する。
• h/2e²の量子化されたホール抵抗を示すチャーンバンドへの遷移が観測され、軌道磁性および時間反転対称性の破れが示唆される。
• 絶縁相が消滅する中でも超伝導相が維持されることから、両者の秩序が独立して調整可能であることが示された。
• h/2e²での量子化されたホール抵抗の観測は、系にトポロジカル秩序が存在することを直接的証明する。
• 本研究の結果は、MAGにおける絶縁相と超伝導相の間の従来の母娘的関係の仮定に疑問を呈する。
• 本研究は、相関2次元系における超伝導性およびモット絶縁体の微視的起源を独立して制御・探査するための新しい実験的手法を確立した。