[논문 리뷰] Correlated Insulating States and Transport Signature of Superconductivity in Twisted Trilayer Graphene Moiré of Moiré Superlattices

Kan-Ting Tsai, Xi Zhang외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 06.

Graphene research and applications참고 문헌 37인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 두 개의 연속된 작은 비스듬한 각도를 가진 비틀어진 트리레이어 그래핀에서 모리의 모리 초격자 구조를 형성하는 상관관계 있는 절연 상태와 초전도성 서명을 조사한다. 초저밀도의 실현 전하 밀도(~10¹⁰ cm⁻²)에서, 보다 높은 차수의 모리 격자 세포의 반만 꽉 찬 상태 근처에서 저항이 0인 전도성 행동이 관측되며, 이는 2차원 초전도성의 증거로 간주된다. 또한 전하가 완전히 점유된 상태에서는 반도체적 저항성 행동이 나타나는데, 이는 고차수의 모리 시스템에서 연속적이고 비분리된 평탄한 밴드로부터 기인한 새로운 상관관계 전도 현상의 첫 번째 증거이다.

ABSTRACT

Layers of two-dimensional materials stacked with a small twist-angle give rise to beating periodic patterns on a scale much larger than the original lattice, referred to as a moiré superlattice. When the stacking involves more than two layers with independent twist angles between adjacent layers, it generates moiré of moiré superlattices, with multiple length scales that control the system's behavior. Here we demonstrate these effects of a high-order moiré superlattice in twisted trilayer graphene with two consecutive small twist angles. We report correlated insulating states near the half filling of the moiré of moiré superlattice at an extremely low carrier density (~1010 cm-2), near which we also report a zero-resistance transport behavior typically expected in a 2D superconductor. Moreover, the temperature dependence of the measured resistances at full-occupancy (v = -4 and v = 4) states are semi-metallic, distinct from the insulating behavior of twisted bilayer systems, providing the first demonstration of emergent correlated transport behaviors from continuous, non-isolated higher-order moiré flat bands. Our findings shed new insights into the microscopic mechanisms of moiré correlated states and provide the impetus for future studies on this material platform, such as the demonstration of phase coherence and Meissner-like effect.

연구 동기 및 목표

• 두 개의 독립적인 비스듬한 각도를 가진 비틀어진 트리레이어 그래핀에서 상관관계 전자 상태의 발생을 탐구한다.
• 모리의 모리 주기성으로 형성된 고차수의 모리 초격자의 전기적 운반 성질을 조사한다.
• 연속적이고 비분리된 평탄한 밴드를 가진 시스템에서 초전도성의 서명을 식별한다.
• 모리 이종구조에서 전자 상호작용, 위상학적 성질, 초전도성 간의 상호작용을 이해한다.

제안 방법

• 두 개의 연속된 작은 비스듬한 각도(~1.5° 및 ~1.6°)를 가진 비틀어진 트리레이어 그래핀 장치를 제작하여 모리의 모리 초격자를 형성한다.
• 게이트 전압과 온도에 따른 전기적 운반 성질(저항도) 측정.
• 매우 낮은 전하 밀도(~10¹⁰ cm⁻²)에서 모리의 모리 격자 세포의 반만 꽉 찬 상태 근처에서 상관관계 절연 상태를 식별한다.
• 완전히 점유된 상태(v = -4 및 v = 4)에서의 온도 의존 저항도 분석을 통해, 비틀어진 이중층 그래핀에서의 절연 상태와는 다름없는 반도체적 행동을 규명한다.
• 고차수의 모리 위치장에서 평탄한 밴드와 상관관계 상태의 기원을 해석하기 위해 이론적 모델링을 사용한다.
• 비틀어진 이중층 그래핀에서 알려진 상관관계 상태와의 비교를 통해 삼중층 시스템의 고유한 특징을 부각한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모리의 모리 초격자 구조를 가진 비틀어진 트리레이어 그래핀에서 전자 상태와 운반 성질의 서명은 무엇인가요?
• RQ2 고차수의 모리 위치장에서 연속적이고 비분리된 평탄한 밴드를 가진 시스템에서 초전도성이 발생할 수 있는가요?
• RQ3 완전히 점유된 상태(v = -4 및 v = 4)에서의 저항도 행동은 비틀어진 이중층 그래핀과 어떻게 다릅니까?
• RQ4 모리의 모리 초격자에서 다수의 길이 척도가 상관관계 절연 및 초전도 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 합니까?
• RQ5 저항이 0인 전도성 행동에 기반해, 이 시스템에서 위상 일관성과 메이스너 유사 효과를 관찰할 수 있는가요?

주요 결과

• 매우 낮은 전하 밀도 ~10¹⁰ cm⁻²에서 모리의 모리 초격자 세포의 반만 꽉 찬 상태 근처에서 상관관계 절연 상태가 관측된다.
• 반만 꽉 찬 상태 근처에서 저항이 0인 전도성 행동이 감지되어 2차원 초전도 상이 존재함을 시사한다.
• 완전히 점유된 상태(v = -4 및 v = 4)에서 온도 의존 저항도는 반도체적 행동을 보이며, 비틀어진 이중층 그래핀에서의 절연 행동과 대조된다.
• 이 시스템은 고차수의 모리 위치장에서 연속적이고 비분리된 평탄한 밴드로부터 기인한 새로운 상관관계 운반 현상이 나타난다.
• 본 연구는 다중 길이 척도를 가진 모리의 모리 초격자에서 초전도성과 상관관계 상태의 실험적 증거를 처음으로 제공한다.
• 연구 결과는 이 플랫폼에서 위상 일관성과 메이스너 유사 효과를 관찰할 가능성이 있음을 시사하며, 향후 위상학적 및 초전도성 질서에 대한 연구를 촉진한다.