[논문 리뷰] Correlated Superconducting and Insulating States in Twisted Trilayer Graphene Moire of Moire Superlattices

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

Graphene research and applications참고 문헌 24인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 3.06°의 비스듬한 각도를 가진 삼중층 비틀어진 그래핀에서 강력한 초전도성과 상관관계가 있는 절연 상태를 입증한다. 이는 초전도 전이 온도 Tc ≈ 3.4 K를 기록하며, 이는 이전의 초전도체보다 훨씬 낮은 초전하 밀도 (~10¹⁰ cm⁻²)에서 달성되었다. 연구 결과는 초전도성이 고립된 평탄한 밴드가 아니라 연속적인 비평탄한 밴드에서 유래된다는 것을 보여주며, 이는 관련 전자 현상의 주요 원인으로 전자 밴드 상태의 특이성보다는 격자 진동(포논)이 더 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다.

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 superlattice. When the stacking involves more than two layers with independent twist angles between adjacent layers it generates of superlattices, with multiple length scales that control the system's behavior. Here, we demonstrate these effects of a high-order moire superlattice in twisted trilayer graphene with the twist angles chosen to be equal, at ~ 3.06 degree. We report superconducting and correlated insulating states near the half filling of the moire of moire superlattice at a carrier density (~ 10^10 cm^-2) significantly lower than any previously-reported 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 the twisted bilayer systems, providing a first demonstration of emergent superconductivity from single-particle states that correspond to continuous, non-isolated flat-bands. Compared to twisted bilayer graphene (tBLG), we find robust superconductivity with Tc ~ 3.4 K despite the extremely low carrier density. Our findings imply that phonons may play a bigger role than flat bands and singular density of states in bringing about the correlated behavior.

연구 동기 및 목표

• 같은 비스듬한 각도를 가진 세 개의 비틀어진 그래핀 층으로 형성된 고차원의 모리 에너지 격자에서 상관관계가 있는 전자 상태를 조사하기 위해.
• 이전의 2D 초전도체보다 훨씬 낮은 전하 밀도에서 삼중층 그래핀의 초전도성 및 절연 상태를 탐색하기 위해.
• 초전도성이 고립된 평탄한 밴드가 아니라 연속적인 비고립 평탄한 밴드에서 유래될 수 있는지 확인하기 위해.
• 비틀어진 2D 이종구조에서 상관관계가 있는 전자 현상의 매개 요소로 포논과 전자 밴드 구조 중 어느 것이 더 중요할지 평가하기 위해.

제안 방법

• 이웃하는 층들 사이의 정밀하게 제어된 비스듬한 각도(~3.06°)를 가진 비틀어진 삼중층 그래핀을 제작하여 모리-오브-모리 격자(superlattice)를 형성하기 위해.
• 전하 밀도 및 온도에 따라 전기적 운반성질, 특히 저항도 및 임계 온도(Tc)를 측정하기 위해.
• 모리-오브-모리 격자에서 전하 밀도가 포화된 경우(v = ±4) 상관관계가 있는 절연 상태를 확인하고, 저항도가 반금속성 온도 의존성을 보임을 밝혀내기 위해.
• 비틀어진 이중층 그래핀(tBLG)과의 비교를 통해 초전도성 및 절연 특성의 차이를 평가하기 위해.
• 정수 채움 상태에서 저항도의 온도 의존성을 분석하여 절연성 또는 반금속성 거동를 구분하기 위해.
• 백게이팅을 통한 전하 밀도 조절을 이용하여 모리-오브-모리 격자의 반채움 상태 근처의 초전도성 도메인과 상관관계가 있는 상태를 탐색하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀어진 삼중층 그래핀에서 이전의 2D 초전도체보다 훨씬 낮은 전하 밀도에서도 강력한 초전도성이 나타날 수 있는가?
• RQ2 채움 수가 포화된 경우(v = ±4) 전자 상태는 비틀어진 이중층 그래핀과 비교해 어떻게 행동하는가—절연성인지 반금속성인지?
• RQ3 이 시스템에서 초전도성은 고립된 평탄한 밴드에 의해 유도되는가, 아니면 특이한 밀도의 상태를 가지는 연속적인 비고립 평탄한 밴드에 의해 유도되는가?
• RQ4 모리 격자에서 상관관계가 있는 전자 행동의 매개 요소로 포논과 전자 밴드 구조 중 어느 것이 더 중요할까?

주요 결과

• 초전하 밀도가 약 ~10¹⁰ cm⁻²로 매우 낮음에도 불구하고 초전도 전이 온도 Tc ≈ 3.4 K의 강력한 초전도성이 관측되었으며, 이는 이전에 보고된 모든 초전도체보다 훨씬 낮은 수준이다.
• 채움 수가 포화된 경우(v = -4 및 v = 4) 상관관계가 있는 절연 상태에서 저항도가 반금속성 온도 의존성을 보이며, 이는 비틀어진 이중층 그래핀에서 관찰된 절연 거동과 대조된다.
• 초전도 상태는 고립된 평탄한 밴드가 아니라 연속적이고 비고립된 평탄한 밴드에 해당하는 단일 입자 상태에서 유래되며, 이는 이와 같은 현상이 고립된 평탄한 밴드가 필수적이라는 기존의 견해에 도전한다.
• 결과적으로 이 연구는 포논이 평탄한 밴드나 특이한 밀도 상태의 특성보다도 비틀어진 2D 재료에서 상관관계가 있는 전자 행동을 이끄는 데 더 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다.
• 모리-오브-모리 격자 구조는 낮은 전하 밀도에서 초전도성 및 절연 상태의 공존을 가능하게 하며, 강한 전자 상관관계 효과를 나타낸다.