[論文レビュー] Unconventional superconductivity in twisted bilayer WSe2

Yiyu Xia, Zhongdong Han+4 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2024

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、半導体ベースのモアレ系である3.65°ねじれ二層WSe2において、フラットなチェルンバンドを有する半フィルイン状態で、頑健な非代替的超伝導性が報告されている。超伝導転移温度は約220 mK（有効フェルミ温度の2%）であり、モット絶縁体相に近接して現れるため、強い電子相関が関与しており、従来のBCS対合作用とは異なるメカニズムである可能性を示唆している。

ABSTRACT

Moiré materials have enabled the realization of flat electron bands and quantum phases that are driven by strong correlations associated with flat bands. Superconductivity has been observed, but solely, in graphene moiré materials. The absence of robust superconductivity in moiré materials beyond graphene, such as semiconductor moiré materials, has remained a mystery and challenged our current understanding of superconductivity in flat bands. Here, we report the observation of robust superconductivity in 3.65-degree twisted bilayer WSe2 which hosts a honeycomb moiré lattice. Superconductivity emerges at half-band filling and under small sublattice potential differences, where the moiré band is a flat Chern band. The optimal superconducting transition temperature is about 220 mK and constitutes 2% of the effective Fermi temperature; the latter is comparable to the value in high-temperature cuprate superconductors and suggests strong pairing. The superconductor borders on two distinct metals below and above half-band filling; it undergoes a continuous transition to a correlated insulator by tuning the sublattice potential difference. The observed superconductivity on the verge of Coulomb-induced charge localization suggests roots in strong electron correlations.

研究の動機と目的

• グラフェンを越えた半導体ベースのモアレ材料において、頑健な超伝導性が出現するかを調査すること。
• ねじれWSe2で形成されるフラットバンドにおける強い電子相関の役割を明らかにすること。
• チューナブルなモアレ系において、超伝導性とモット絶縁体への近接性との関係を特定すること。
• 2次元のファンデルワールスヘテロ構造におけるスピン子格子ポテンシャルの差、バンドトポロジー、および超伝導ペアリングの相乗作用を検討すること。

提案手法

• ヘキサゴナルモアレ格子を誘発するために、正確なねじれ角3.65°を有するねじれ二層WSe2の作製。
• キャリア密度およびスピン子格子ポテンシャル差をチューニングするためのデュアルゲートバックゲートの適用。
• 電気的輸送および抵抗測定により、超伝導転移および相関絶縁状態の特定。
• 小さなスピン子格子ポテンシャル差の下で、半バンドフィルイン状態にフラットなチェルンバンドを同定。
• 有効フェルミ温度を用いて電子ペアリングの強度を定量化し、高温超伝導体と比較。
• スピン子格子ポテンシャル差の系統的チューニングにより、超伝導性からモット絶縁体への連続的相転移を調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれWSe2のような半導体ベースのモアレ材料において、頑健な超伝導性が実現可能か？
• RQ2 非ゴールデンモアレ系のフラットバンドにおける強い電子相関が、超伝導性を駆動する役割を果たすか？
• RQ3 この系において、超伝導転移温度は有効フェルミエネルギーとどのようにスケーリングするか？
• RQ4 このモアレ系における超伝導性とモット絶縁体との間の量子相転移の性質は何か？
• RQ5 トポロジカルなフラットバンドに近接して超伝導性が出現することは、非代替的ペアリングメカニズムを示唆するか？

主な発見

• 3.65°ねじれ二層WSe2において、臨界転移温度が約220 mKの頑健な超伝導性が観測された。
• 超伝導状態は半バンドフィルインで出現し、小さなスピン子格子ポテンシャル差の下で安定化された。
• 超伝導転移温度は有効フェルミ温度の2%であり、高温超伝導体と同等の強いペアリング相互作用を示唆している。
• スピン子格子ポテンシャル差のチューニングにより、超伝導性からモット絶縁体への連続的量子相転移が観察された。
• 超伝導性は半フィルインの上および下に存在する2つの異なる金属相と共存しており、相関とバンド構造の微妙なバランスを示している。
• クーロン力によって誘発される電荷局在絶縁体に近接していることから、超伝導ペアリングはフォノン媒介機構ではなく、強い電子相関に起因していると考えられる。