[論文レビュー] Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene

Jiangxiazi Lin, Phum Siriviboon+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

Graphene research and applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、バルクの時間反転対称性の破れによるバルクの偏極を介して、外部磁場を必要としない小ねじれ角の三層グラフェン（tTLG）において、内在的なゼロ磁場超伝導ダイオード効果を示した。この効果は有限運動量のクーパー対結合とネーマティック超伝導に起因し、キャリア密度、ねじれ角、磁場トレーニングによって制御可能な非可逆的臨界電流を示す。

ABSTRACT

The critical current of a superconductor can be different for opposite directions of current flow when both time-reversal and inversion symmetry are broken. %When time-reversal and inversion symmetry are simultaneously broken, the critical current of a 2D superconductor is expected to depend on the directions of current flow. Such nonreciprocal behavior in superconducting transport, which creates a superconducting diode, has recently been demonstrated experimentally by breaking these symmetries with an applied magnetic field \cite{Ando2020diodes} or by construction of a magnetic tunnel junction \cite{Diez2021magnetic}. Here we report an intrinsic superconducting diode effect which is present at zero external magnetic field in mirror symmetric twisted trilayer graphene (tTLG). Such nonreciprocal behavior, with sign that can be reversed through training with an out-of-plane magnetic field, provides direct evidence of the microscopic coexistence between superconductivity and time-reversal symmetry breaking. In addition to the magnetic-field trainability, we show that the zero-field diode effect can be controlled by varying carrier density or twist angle. In accordance with these experimental controls, a natural interpretation for the origin of the intrinsic diode effect is an imbalance in valley occupation of the underlying Fermi surface, which likely leads to finite-momentum Cooper pairing and nematicity in the superconducting phase.

研究の動機と目的

• 外部磁場を必要としない三層グラフェンにおける超伝導ダイオード効果の実証。
• 鏡対称性を持つねじれ三層グラフェンにおける非可逆的スーパーキャリアの起源の解明。
• バルクの偏極と時間反転対称性の破れが有限運動量クーパー対結合を誘発する役割の解明。
• キャリア密度、ねじれ角、磁場トレーニングによるダイオード効果の制御の確立。
• 小ねじれ角tTLGにおける内在的ネーマティック超伝導の証拠の提供。

提案手法

• 二重ゲート構造（バックゲートおよびトップゲート）を有する、スパナード小ねじれ角三層グラフェンデバイスをフォーマー。
• 20 mKでの低温輸送測定（Rxx、dV/dI）を実施し、超伝導およびダイオード特性を調査。
• ダイオード効果のトレーニングおよび時間反転対称性の破れを誘発するため、垂直方向磁場を印加。
• モアレ充填度、キャリア密度（ゲート電圧による制御）、磁場を関数として抵抗をマッピングし、非可逆的臨界電流を同定。
• 微分抵抗およびホール抵抗測定を用いて、ネーマティック性および空間的異方性の兆候を検出。
• 大電流を印加することで「トレーニング解除」を実施し、ダイオード効果の磁場誘起的かつヒステリックな性質を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場を必要としない三層グラフェンにおいて、超伝導ダイオード効果が出現しうるか？
• RQ2 鏡対称性を持つtTLGにおける非可逆的スーパーキャリアの微視的起源は何か？
• RQ3 バルクの偏極がどのように有限運動量クーパー対結合と時間反転対称性の破れを引き起こすか？
• RQ4 キャリア密度やねじれ角の調整によってダイオード効果を制御できるか？
• RQ5 磁場トレーニングが非可逆的超伝導状態の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• B=0における小ねじれ角三層グラフェンで、臨界電流非対称性 Ic+ ≠ Ic− を示す強固なゼロ磁場超伝導ダイオード効果が観測された。
• 磁場トレーニングによりダイオード効果は可逆的である：正のB場を印加することで、片方向への電流流れが優位になるようにシステムがトレーニングされる。
• 非可逆的臨界電流ΔIcは、νtTLG ≈ 2.14およびD = -573 mV/nmで最大10 nAに達し、キャリア密度スイープにおいて明確なヒステリシスを示した。
• 大電流を用いた「トレーニング解除」によりダイオード効果が消失し、非断熱的かつ磁場誘起的性質であることが確認された。
• キャリア密度およびねじれ角によるチューニングが可能であり、最大の非対称性はνtTLG ≈ 2.14近辺で観測された。
• ホール抵抗Rxyは、特定の充填度においてTc未満で急激に増加し、ダイオード状態と関連する空間的異方性を示唆した。