[論文レビュー] Twist-Programmable Superconductivity in Spin-Orbit Coupled Bilayer Graphene

Yiran Zhang, Gal Shavit+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2024

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、グラフェンとタングステンジサルフェイド（WSe₂）の間の相対的ねじれ角度を調整することで、スピン軌道結合（SOC）を有する二層グラフェンにおけるねじれプログラマブルな超伝導性を実証した。このSOCの強度は、誘導されたイジングスピン軌道結合（SOC）の強度を制御する。SOCが増加するにつれ、超伝導性はより高い電荷分離場で出現し、最大で0.5 Kの臨界温度に達する。また、面内磁場に対する耐性が向上し、三重に歪んだフェルミポケット間での穴の異方的再分配の証拠も得られた。

ABSTRACT

The relative twist angle between layers of near-lattice-matched van der Waals materials is critical for the emergent correlated phenomena associated with moire flat bands. However, the concept of angle rotation control is not exclusive to moiré superlattices in which electrons directly experience a twist-angle-dependent periodic potential. Instead, it can also be employed to induce programmable symmetry-breaking perturbations with the goal of stabilizing desired correlated states. Here, we experimentally demonstrate `moireless' twist-tuning of superconductivity together with other correlated orders in Bernal bilayer graphene proximitized by tungsten diselenide. The alignment between the two materials systematically controls the strength of the induced Ising spin-orbit coupling (SOC), profoundly altering the phase diagram. As Ising SOC is increased, superconductivity onsets at a higher displacement field and features a higher critical temperature, reaching up to 0.5K. Within the main superconducting dome and in the strong Ising SOC limit, we find an unusual phase transition characterized by a nematic redistribution of holes among trigonally warped Fermi pockets and enhanced resilience to in-plane magnetic fields. The behavior of the superconducting phase is well captured by our theoretical model, which emphasizes the role of interband interactions between Fermi pockets arising due to interaction-enhanced symmetry breaking. Moreover, we identify two additional superconducting regions, one of which descends from an inter-valley coherent normal state and exhibits a Pauli-limit violation ratio exceeding 40, among the highest for all known superconductors. Our results provide new insights into ultra-clean graphene-based superconductors and underscore the potential of utilizing moireless-twist engineering across a range of van der Waals heterostructures.

研究の動機と目的

• モーレイ超格子に依存しない二層グラフェン（BLG）におけるスピン軌道結合（SOC）が超伝導性および相関状態をどのように制御するかを調査すること。
• BLGとWSe₂の間の相対的ねじれ角度が、イジングSOC強度を精密に制御するツールとして機能することを実験的に示すこと。
• 誘導されたSOCが超伝導相図（臨界温度、磁場耐性、フェルミ表面再構成を含む）にどのように影響するかを調査すること。
• 複数の超伝導相、特に極端なパウリ限界超過を示すものも含めて、同定および特徴づけること。
• van der Waalsヘテロ構造における超クリーンで高精度にチューナブルな超伝導体を実現するモーレイなしねじれ工学プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 6°程度の刻みで、固定されたWSe₂基板に対して二層グラフェンフラクスを逐次ねじってBLG-WSe₂ヘテロ構造を作製した。
• 高分解能のシュービニコフ＝ド・ハース振動を用いてフェルミ表面の異方性を測定し、イジングSOCによる穴ポケットの不均衡度を定量した。
• 強い電荷分離場（D ≈ 0.2 V/nm）を印加して、WSe₂に隣接する層に穴波動関数を極化させ、イジングSOCを最大化した。
• BCS-Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）フレームワークに基づく理論モデルを用い、面内磁場によるTcの抑制を記述した。このモデルにはスピン軌道結合およびゼーマン結合を含めた。
• Tc(B) = Tc,0 − αB²の依存関係における係数αを計算し、磁場耐性を分析した。この際、非対称性破れ効果および帯間相互作用を組み込んだ。
• 自己無撞着なハートリー・フォック計算を用いて、磁場下における異方的フェルミ表面再構成を検討し、'フロッキング'モデルの妥当性を検証した。

Figure 1: Programmable Ising SOC by interfacial twisting between BLG and WSe 2 . a , Schematic showing the twisting of the BLG-WSe 2 interface; tuning the interfacial twist angle $\theta$ between the two largely lattice-mismatched materials modifies the Ising SOC strength $|\lambda_{I}|$ and the cor

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モーレイポテンシャルが存在しない状況で、BLGとWSe₂の間の相対的ねじれ角度が誘導されたイジングスピン軌道結合の強度をどのように制御するか？
• RQ2 イジングSOCが強くなると、BLGにおける超伝導性の発現場および臨界温度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 強化されたイジングSOCが、三重に歪んだフェルミポケット間の穴再分配を伴う異方的相転移を引き起こすか？
• RQ4 超伝導状態は強い面内磁場に耐えられ、その耐性の背後にあるメカニズムは何か？
• RQ5 ある超伝導相におけるパウリ限界超過が40を超えるのはどのような起源に由来し、バルク間コherenecの関係は何か？

主な発見

• イジングスピン軌道結合をねじれ角度の調整によって強化することで、超伝導性の臨界温度が最大0.5 Kにまで上昇した。
• イジングSOCが強くなるにつれ、超伝導性の発現場がより高い電荷分離場で観測され、スピン軌道結合による強い安定化効果が示された。
• 主な超伝導ドーム内に異方的相転移が観測され、三重に歪んだフェルミポケット間での穴の再分配が特徴づけられた。
• 超伝導状態は面内磁場に対して顕著な耐性を示し、Tc(B) = Tc,0 − αB²の依存関係に従い、α ≈ 0.1 K/T²であった。
• さらに、バルク間コherenecの正常状態から下降する超伝導領域が同定され、パウリ限界超過比が40を超えた。これは、いかなる超伝導体に対しても報告された中で最も高い値の一つであった。
• 理論的モデリングにより、相互作用増強による対称性破れに起因する帯間相互作用が、観測された相図および磁場耐性を説明するために不可欠であることが確認された。

Figure 2: Twist-programmable superconducting phase diagram. a – d , $R_{xx}$ versus doping density $n$ and displacement field $D$ for devices with Ising strength $|\lambda_{I}|\approx 0.4$ meV ( a ), $0.9$ meV ( b ), $1.4$ meV ( c ), and $1.5$ meV ( d ), respectively. e , Optimal superconducting cri