[논문 리뷰] Emergent Superconductivity in the weak Mott insulator phase of bilayer Graphene Moiré Superlattice

Xiao-Chuan Wu, Kelly Ann Pawlak외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 17.

Graphene research and applications참고 문헌 1인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 비틀어진 이중층 그래핀의 약한 모트 절연체 상에서의 잠재적 초전도성은 모이레 수반격자 구조의 2차원 성질과 강한 전자 상호작용의 상호작용에 기인한다고 제안한다. SU(4) 대칭성을 가지며 허드의 상수에 의해 스핀 트리플렛 초전도성 채널이 선호되는 삼각격자 위의 효과적 이오르비탈 허드 모형을 사용하여, 저온에서 잔류 쌍형성 변동에 의해 초전도성으로 전이되는 유한 동역학적 갭을 가진 스핀 밀도파 순서가 형성됨을 보여주며, 전이 온도 Tc ≈ 1 K에서 초전도성을 나타낸다.

ABSTRACT

We propose a phenomenological understanding of the recently discovered weak Mott insulator in the moiré superlattice of twisted bilayer graphene, especially the emergent superconductivity at low temperature within the weak Mott insulator phase, namely while lowering temperature, the longitudinal resistivity first grows below temperature $T_m$, but then rapidly drops to zero at even lower temperature $T_c$. An emergent superconductor in an insulator phase is very unusual. Here we propose that this phenomenon is due to the pure two-dimensional nature of the bilayer graphene moiré superlattice. We also compare our results with other theories proposed so far.

연구 동기 및 목표

• 비틀어진 이중층 그래핀에서 저온에서 관찰되는 약한 모트 절연체 거동과 잠재적 초전도성의 비정상적 공존 현상을 설명하기 위해.
• Tm ≈ 4–5 K 이하에서 저항도가 증가하지만 Tc ≈ 1 K 이하에서 다시 0으로 떨어지는 현상이 동일한 상에서 발생하는 이유를 이해하기 위해.
• 강한 상호작용이나 디랙 물리학을 요구하지 않고, 피어미 표면의 낮춤과 오더 매개변수 형성에 의해 약한 모트 절연체를 이해할 수 있음을 보여주기 위해.
• 시스템의 2차원 성질과 허드의 상수에 의한 SU(4) 대칭성 붕괴가 절연체 상 내에서 스핀 트리플렛 초전도 불안정성을 가능하게 한다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 모이레 수반격자 구조를 기술하기 위해 삼각격자 위의 효과적 이오르비탈 확장 허드 모형을 설정하며, 오르비탈은 이중층 그래핀의 두 밸리에 대응한다.
• 음성 허드의 상수에 의해 선호되는 스핀 트리플렛, 밸리 싱글렛 쌍형성 상태를 도입하여 비일관된 스핀 밀도파 순서를 안정화시킨다.
• 외부 제이만 필드에 의해 변형된 목표 다양체를 가진 비선형 스핀 모형(NLSM)을 사용하여 비일관된 스핀 순서와 그 기하학적 흐름을 기술한다.
• NLSM 계량 텐서에 리치 흐름 형식을 적용하여 결합 상수 g1과 g2의 유도계수군(GR) 흐름을 유도하며, 제이만 필드에 기인한 이방성 효과를 캡처한다.
• 제이만 필드에 의해 선호되는 순서 상태에 해당하는 X_i = 0 지점에서의 GR 흐름을 분석하여 임계 척도 행동과 초전도로의 불안정성에 대한 정보를 추출한다.
• 모델의 예측을 실험적 저항도 데이터와 비교하여 Tm 이하에서 저항도가 증가하고 Tc 이하에서 0으로 떨어지는 현상이 관측되며, 이는 절연체 상 내에서 초전도성이 잠재적으로 발생했음을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 절연체 상태는 일반적으로 초전도성 쌍형성과 억제되는데, 비틀어진 이중층 그래핀에서 모트 절연체 상 내에서 어떻게 초전도성이 발생할 수 있는가?
• RQ2 왜 Tm ≈ 4–5 K 이하에서 저항도가 증가하지만 Tc ≈ 1 K 이하에서 다시 0으로 떨어지는가? 이는 절연체 상태 내에서 초전도 불안정성이 발생했음을 의미하는가?
• RQ3 모이레 수반격자의 2차원 성질이 약한 모트 절연체에서 초전도성을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 유한 동역학적 갭을 가진 오더 매개변수를 통해 스핀 트리플렛 쌍형성과 피어미 표면 낮춤의 상호작용이 어떻게 안정적인 절연체 상태를 형성하면서도 여전히 초전도성 변동에 민감하게 유지되는가?
• RQ5 관측된 저항도 행동은 스핀 밀도파 순서를 지닌 비페르미 액체 상태에 의해 설명될 수 있는가? 이 상태는 잠재적 초전도성을 지지하는가?

주요 결과

• 비틀어진 이중층 그래핀의 약한 모트 절연체 상은 피어미 표면 낮춤과 부문대역의 겹침에 의해 갭이 생기는 스핀 트리플렛, 밸리 싱글렛 순서에 의해 안정화된다.
• 시스템은 Tm ≈ 4–5 K에서 절연체 거동으로 인해 저항도가 피크를 보이며, Tc ≈ 1 K에서 급격히 0으로 감소하여 절연체 상 내에서 잠재적 초전도성이 발생했음을 나타낸다.
• 초전도 불안정성은 스핀 트리플렛 채널의 잔류 쌍형성 변동에 의해 주도되며, 스핀 밀도파 순서 형성 후에도 활성 상태를 유지한다.
• GR 흐름 분석 결과, 결합 상수 g1과 g2는 리치 흐름에 따라 진전되며, 동일한 에너지 척도에서 로그적으로 발산함을 보여주며, 이는 초전도로의 양자상전이를 시사한다.
• 약한 자기장에 의한 초전도성 억제를 설명할 수 있다: 초전도성이 억제될 경우 저온에서 저항도는 계속 증가하며, 이는 시스템이 정상적인 모트 절연체임을 확인한다.
• 결과는 미세 구조적 세부사항에 대해 강건하며, 디랙 밴드 교차나 특정 밸리 순서를 요구하지 않으며, 대신 피어미 표면 물리학과 허드의 상수에 의한 대칭성 붕괴에 기반한다.