[논문 리뷰] Isospin magnetism and spin-triplet superconductivity in Bernal bilayer graphene

Haoxin Zhou, Ludwig Holleis외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 21.

Graphene research and applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 수직 전기장에 의해 Bernal 이중층 그래핀(BBG) 시스템을 바늘상태(Van Hove singularities)로 조정함으로써 스핀 편향 초전도성(superconductivity)을 입증한다. 초전도성은 유한한 평행 자기장(~150 mT)에서 나타나며, 이는 파울리 한계를 초월하므로 스핀 트리플렛 쌍성 상태가 이소스핀 대칭성이 깨진 상태와의 가까이에서 안정화됨을 시사한다.

ABSTRACT

We report the observation of spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene when doped to a saddle-point van Hove singularity generated by large applied perpendicular electric field. We observe a cascade of electrostatic gate-tuned transitions between electronic phases distinguished by their polarization within the isospin space defined by the combination of the spin and momentum-space valley degrees of freedom. While all of these phases are metallic at zero magnetic field, we observe a transition to a superconducting state at finite $B_\parallel\approx 150$mT applied parallel to the two dimensional sheet. Superconductivity occurs near a symmetry breaking transition, and exists exclusively above the $B_\parallel$-limit expected of a paramagnetic superconductor with the observed $T_C\approx 30$mK, implying a spin-triplet order parameter.

연구 동기 및 목표

• 강한 전기장 하에서 Bernal 이중층 그래핀(BBG)의 전자 상호작용 효과 및 잠재적인 양자상의 발생을 조사하기 위해.
• 수직 이완장에 의해 유도된 바늘상태 근처에서 BBG의 초전도성의 성격을 규명하기 위해.
• 평행 자기장에 대한 반응을 통해 관측된 초전도성이 스핀 싱เก릿트 또는 스핀 트리플렛인지 확인하기 위해.
• 이소스핀 대칭성의 붕괴가 구조적으로 안정된 2차원 물질에서 강력한 초전도성을 가능하게 하는 역할을 하는지 규명하기 위해.
• 그래핀 기반 헤테로구조에서 고품질, 재현 가능한 스핀 트리플렛 초전도체를 실현할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 전기적 게이팅을 통해 캐리어 농도와 이중층 잠재력을 조절할 수 있는 듀얼 게이팅, hBN 봉쇄 이중층 그래핀 장치를 사용하였다.
• 최대 약 1.02 V/nm의 큰 수직 전기장을 적용하여 밴드 갭을 유도하고, nₑ ≈ –0.5×10¹² cm⁻²에서 바늘상태로 시스템을 이동시켰다.
• 10 mK까지 낮아지는 온도에서 캐리어 농도, 자기장(B∥ 및 B⊥), 온도에 따른 전기적 성질(저항도, 비선형 dV/dI)을 측정하였다.
• 자기저항도 진동의 푸리에 변환(Rxx(1/B⊥))을 사용하여 피어미 표면의 위상 구조를 매핑하고 대칭성 붕괴 상태를 탐지하였다.
• 영자기장 조건에서 비선형 저항의 감소와 임계 전류의 억제를 분석하여 대칭성 붕괴의 징후를 확인하였다.
• 평행 자기장 조절을 통해 초전도성 발생과 스핀 분리 에너지(제이만 에너지) 임계값 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바늘상태 근처에서 Bernal 이중층 그래핀의 초전도성이 스핀 트리플렛 쌍성 특성을 보일까?
• RQ2 평행 자기장의 적용이 BBG의 초전도 전이 온도와 임계 자기장에 어떤 영향을 미칠까?
• RQ3 이소스핀 대칭성 붕괴가 BBG에서 초전도성을 안정화시키는 데 어떤 역할을 할까?
• RQ4 불안정하거나 결함 있는 스택이 없는 구조적으로 안정된 2차원 물질에서 스핀 편향 초전도성을 유도할 수 있을까?
• RQ5 BBG의 초전도 상태는 파울리 파라자마그네틱 한계를 초월하여 강건한가, 그리고 이는 쌍성 대칭에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• Bernal 이중층 그래핀에서 바늘상태로 도핑된 상태에서 B∥ ≈ 150 mT에서 초전도성이 발생하며, Tc ≈ 30 mK이다.
• 임계 자기장이 스핀 싱게릿트 초전도체의 경우 예상되는 파울리 한계를 초월하며, 이는 스핀 트리플렛 쌍성 상태를 시사한다.
• 초전도상은 예상되는 파라자마그네틱 한계를 초월하여 존재하며, 스핀 트리플렛 쌍성이 확인된다.
• 이소스핀 편향된 상 간의 게이팅 조절 전이의 연쇄적 변화가 관측되었으며, 대칭성 붕괴가 초전도성 이전에 발생한다.
• 영자기장 조건에서 비선형 전도성과 임계 전류의 억제는 스핀 비편향 상태의 기저 상태가 유한한 B∥에서 스핀 편향 상태로 전이됨을 시사한다.
• 초전도성의 발생 시점은 영자기장에서 대칭성 붕괴 상의 파괴와 정확히 일치하며, 이소스핀 질서와 초전도성 간의 직접적인 연관성이 있음을 시사한다.