[논문 리뷰] Crossover between Strongly-coupled and Weakly-coupled Exciton Superfluids

Xiaomeng Liu, J. I. A. Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 10.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 39인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 자기장 하에서 그래핀 이중층을 이용하여 고체계에서 BCS-BEC 교차를 처음으로 실험적으로 실현하였다. 상호작용 거리와 자기장을 조절함으로써, 자성자-형성자의 쌍화 강도를 연속적으로 제어하였으며, 약한 결합 BCS 유사에서 강한 결합 BEC 유사로의 부드러운 전이가 관측되었으며, 이는 쿨롱 끌림 및 반대방향 저항 측정에서 명확한 서명을 보였다.

ABSTRACT

In fermionic systems, superconductivity and superfluidity are enabled through the condensation of fermion pairs. The nature of this condensate can be tuned by varying the pairing strength, with weak coupling yielding a BCS-like condensate and strong coupling resulting in a BEC-like process. However, demonstration of this cross-over has remained elusive in electronic systems. Here we study graphene double-layers separated by an atomically thin insulator. Under applied magnetic field, electrons and holes couple across the barrier to form bound magneto-excitons whose pairing strength can be continuously tuned by varying the effective layer separation. Using temperature-dependent Coulomb drag and counter-flow current measurements, we demonstrate the capability to tune the magneto-exciton condensate through the entire weak-coupling to strong-coupling phase diagram. Our results establish magneto-exciton condensates in graphene as a model platform to study the crossover between two Bosonic quantum condensate phases in a solid state system.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태 전자 시스템에서 BCS-BEC 교차를 실험적으로 입증하는 것.
• 전자 초전도체에서 쌍화 강도를 연속적으로 조절하는 데 오랫동안 지속된 과제를 해결하는 것.
• 원자 크기의 절연성 장벽을 가진 그래핀 이중층 헤테로구조를 양자 상전이를 연구하는 조절 가능한 플랫폼으로 확립하는 것.
• 교차 영역에서 초유체 전이 온도 $T_c$와 쌍화 온도 $T_{pair}$를 측정하고 특성화하는 것.
• 온도 의존적인 쿨롱 끌림 및 반대방향 운반 측정을 통해 엑시톤 응집체의 성격을 탐구하는 것.

제안 방법

• 원자 두께의 헥사곤형 밀리불라인 나이트라이드(hBN) 장벽으로 분리된 그래핀 이중층을 사용하여 조절 가능한 양자홀 이중층 시스템을 형성하였다.
• 수직 자기장을 적용하여 랑주 수준을 형성하고, 장벽을 통해 전자-홀 쌍화를 통해 자성자-형성을 가능하게 하였다.
• 효과적인 상하층 간격 $d$와 자기장 $B$를 변화시켜 쌍화 상호작용 강도 $U$를 피에르 에너지 $E_F$에 대해 연속적으로 조절하였다.
• 초유체 상전이와 쌍화 시작을 탐지하기 위해 온도 의존적인 쿨롱 끌림 저항과 반대방향 저항을 측정하였다.
• 상태도를 약한 결합에서 강한 결합으로 매핑하기 위해 $d/\tau_B$를 제어 변수로 사용하였으며, $\ell_B$는 자기 길이다.
• 반대방향 저항의 온도 미분을 분석하여 데이터에서 특징적인 서명을 통해 $T_c$ (초유체 전이)와 $T_{pair}$ (쌍화 시작)를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속적인 쌍화 강도 조절이 가능한 고체 상태 전자 시스템에서 BCS-BEC 교차를 실험적으로 접근할 수 있는가?
• RQ2 쌍화 강도가 약한 상태에서 강한 상태로 조절될 때, 초유체 전이 온도 $T_c$와 쌍화 온도 $T_{pair}$는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 자성자-형성자 초유체에서 BCS 유사 및 BEC 유사 영역를 구별하는 운반 서명은 무엇인가?
• RQ4 약한 결합에서 강한 결합으로의 전이가 연속적인 교차인지, 아니면 급격한 상전이가 있는가?
• RQ5 이 시스템에서 운반을 통해 상강도와 위상적 비편재자(예: 머론)를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 초유체 전이 온도 $T_c$는 $d/\ell_B$ 증가와 함께 단조적으로 감소하며, 강한 결합에서 약한 결합으로의 부드러운 진화를 나타낸다.
• 쌍화 온도 $T_{pair}$는 홀의 저항이 반값으로 내려가는 지점으로 식별되었으며, $d/\ell_B$ 증가와 함께 감소함을 관측하여 쌍화 강도 감소와 일치한다.
• 3.7 nm 장치에서는 저온 및 고자기장에서 미분 반대방향 저항에서 명확한 임계 전류 행동을 관측하였으며, 이는 초유체의 시작을 시사한다.
• 낮은 자기장(예: 13 T)에서는 임계 전류가 관측되지 않아, 더 무질서하거나 약화된 초유체 상태임을 시사하며, 이는 약한 결합 영역과 일치한다.
• 상태도는 세 개의 구분된 영역으로 구성되어 있으며, 영역 I(응집된 초유체), 영역 II(정상 상태의 엑시톤), 영역 III(자유 전자 및 정공)이며, $T_c$와 $T_{pair}$로 정의된 명확한 경계를 가진다.
• 이 시스템은 BCS 유사에서 BEC 유사 행동으로의 연속적인 교차를 보이며, 1차 상전이의 증거가 없어 이론적 예측의 부드러운 교차가 고체 상태 플랫폼에서 확인되었다.