[논문 리뷰] Evidence for Flat Band Dirac Superconductor Originating from Quantum Geometry

Haidong Tian, Shi Che외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 26.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초저속 페르미 속도(~1000 m/s)와 양자 기하학적 효과가 초전도성에 지배적인 테일러드 비이차 그래핀에서 평탄한 밴드 디рак 초전도체에 대한 실험적 증거를 제시한다. 초전도체의 초전도체 강성은 운동 에너지가 아닌 상호작용에 의해 유도된 갭에 의해 결정되며, 이는 Tc/TF > 1을 보이며 강한 결합 BCS-BEC 교차 영역 물리학을 나타내는 새로운 양자 기하학적 기원의 초전도성임을 시사한다.

ABSTRACT

In a flat band superconductor, the charge carriers' group velocity vF is extremely slow, quenching their kinetic energy. The emergence of superconductivity thus appears paradoxical, as conventional BCS theory implies a vanishing coherence length, superfluid stiffness, and critical current. Here, using twisted bilayer graphene (tBLG), we explore the profound effect of vanishingly small vF in a Dirac superconducting flat band system Using Schwinger-limited non-linear transport studies, we demonstrate an extremely slow vF ~ 1000 m/s for filling fraction nu between -1/2 and -3/4 of the moire superlattice. In the superconducting state, the same velocity limit constitutes a new limiting mechanism for the critical current, analogous to a relativistic superfluid. Importantly, our measurement of superfluid stiffness, which controls the superconductor's electrodynamic response, shows that it is not dominated by the kinetic energy, but instead by the interaction-driven superconducting gap, consistent with recent theories on a quantum geometric contribution. We find evidence for small pairs, characteristic of the BCS to Bose-Einstein condensation (BEC) crossover, with an unprecedented ratio of the superconducting transition temperature to the Fermi temperature exceeding unity, and discuss how this arises for very strong coupling superconductivity in ultra-flat Dirac bands.

연구 동기 및 목표

• 테일러드 비이차 그래핀에서 페르미 속도가 극히 작은 평탄한 밴드 시스템의 초전도성에 대해 연구한다.
• 이러한 시스템에서 초전도체 강성이 운동 에너지인지 상호작용에 의해 유도된 갭에 의해 지배되는지 규명한다.
• 운동 에너지가 억제된 상황에서도 초전도성을 가능하게 하는 양자 기하학의 역할을 탐구한다.
• 특히 BCS-BEC 교차 영역에서 초전도 쌍의 성격을 조사한다.

제안 방법

• 채움 분율 ν가 -1/2에서 -3/4 사이인 테일러드 비이차 그래핀에서 임계 전류와 페르미 속도를 탐색하기 위해 슈윙거 제한 비선형 전도 측정을 수행한다.
• 온도와 자기장에 따른 초전도체 강성 측정을 통해 전자역학적 반응을 평가한다.
• 초전도 전이 온도(Tc)와 페르미 온도(TF)의 비율 Tc/TF를 분석하여 BCS-BEC 교차 영역 행동을 식별한다.
• 평탄한 밴드 시스템에서 전통적인 BCS 기대와의 편차를 설명하기 위해 양자 기하학 이론을 사용한다.
• 최근의 이론 모델과 실험 결과를 비교하여 평탄한 밴드에서 초전도 주요 매개변수에 양자 기하학적 기여가 있는지 검토한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동 에너지가 억제된 평탄한 밴드 디рак 초전도체에서 초전도체 강성의 기원은 무엇인가?
• RQ2 테일러드 비이차 그래핀에서 페르미 속도는 초전도 상태에서 임계 전류에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초평탄한 디рак 밴드에서 Tc/TF 비율이 어느 정도 1을 초월하는가? 이는 강한 결합 초전도성의 지표이다.
• RQ4 양자 기하학적 효과는 극히 작은 군속도가 존재하는 상황에서도 초전도성의 유지에 기여할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템에서 BCS-BEC 교차 영역에서 작은 초전도 쌍의 존재를 뒷받침하는 증거는 무엇인가?

주요 결과

• 초전도 상태에서의 페르미 속도는 약 ~1000 m/s로, 전통적인 초전도체보다 훨씬 느리게 측정되었다.
• 초전도체 강성은 운동 에너지가 아닌 상호작용에 의해 유도된 초전도 갭에 의해 지배되며, 이는 양자 기하학적 기원을 지지한다.
• 초전도 전이 온도와 페르미 온도의 비율(Tc/TF)이 1을 초과하여, BCS-BEC 교차 영역에서 강한 결합 초전도성을 나타낸다.
• 임계 전류는 극도로 낮은 페르미 속도로 인해 상대론적 초전도체와 유사한 슈윙거 유사 메커니즘에 의해 제한된다.
• 실험 결과는 운동 에너지가 무시될 수 있을 정도로 낮은 상황에서도 평탄한 밴드에서 양자 기하학이 초전도성을 이끄는 이론과 일치한다.