[논문 리뷰] Large Pauli Limit Violation and Reentrant Superconductivity in Magic-Angle Twisted Trilayer Graphene

Yuan Cao, Jeong Min Park외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 22.

Graphene research and applications인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 마법의 각도로 얽힌 삼중층 그래핀(MATTG)에서 10 T 이상의 평행 자기장에서도 초전도성이 유지되는 큰 파울리 한계 위반 현상을 입증한다. 이는 스핀-싱เกlet 쌍성 이론에 어긋나며, 재진입 초전도성과 전체 도메인에 걸친 강력한 초전도성은 강한 상관관계와 밸리-스핀 고정에 의해 유도된 비스핀-싱게렛, 아마도 스핀-트리플렛 쌍성 메커니즘임을 시사하며, 2차원 상관계 시스템에서의 전통적인 BCS 이론에 도전한다.

ABSTRACT

Moiré quantum matter has emerged as a novel materials platform where correlated and topological phases can be explored with unprecedented control. Among them, magic-angle systems constructed from two or three layers of graphene have shown robust superconducting phases with unconventional characteristics. However, direct evidence for unconventional pairing remains to be experimentally demonstrated. Here, we show that magic-angle twisted trilayer graphene (MATTG) exhibits superconductivity up to in-plane magnetic fields in excess of 10 T, which represents a large ($2\sim3$ times) violation of the Pauli limit for conventional spin-singlet superconductors. This observation is surprising for a system which is not expected to have strong spin-orbit coupling. Furthermore, the Pauli limit violation is observed over the entire superconducting phase, indicating that it is not related to a possible pseudogap phase with large superconducting amplitude pairing. More strikingly, we observe reentrant superconductivity at large magnetic fields, which is present in a narrower range of carrier density and displacement field. These findings suggest that the superconductivity in MATTG is likely driven by a mechanism resulting in non-spin-singlet Cooper pairs, where the external magnetic field can cause transitions between phases with potentially different order parameters. Our results showcase the richness of moiré superconductivity and may pave a new route towards designing next-generation exotic quantum matter.

연구 동기 및 목표

• 고평행 자기장 하에서 마법의 각도로 얽힌 삼중층 그래핀(MATTG)의 초전도성의 스핀 구성을 조사하기 위해.
• 관측된 초전도성이 파울리 한계를 초월하는지, 즉 스핀-싱게렛 초전도체의 상징적인 특성인지 확인하기 위해.
• 모리 초전도체 물질에서의 재진입 초전도성의 기원과 쌍성 대칭에 대한 함의를 탐구하기 위해.
• 파울리 한계 위반의 주요 원인이 FFLO 상태나 강한 결합 효과와 같은 전통적 메커니즘인지 여부를 배제하기 위해.
• 밸리-스핀 고정과 관련된 가능성이 있는 스핀-트리플렛 또는 비단위 쌍성 상태의 증거를 식별하기 위해.

제안 방법

• 상대적으로 낮은 온도에서, 실온 제어를 통해 실현되는 실리콘 기반의 MATTG 장치에서 4점 측정을 수행하여 전하 밀도와 이완 전압을 제어하였다.
• 10 T에 이르는 평행 자기장을 적용하여 상한 임계장 행동과 파울리 한계 위반을 탐색하였다.
• B–T(자기장–온도) 평면에서 초전도 상도를 매핑하고 임계 저항 및 전압-전류 곡선을 분석하였다.
• BKT(Berezinskii–Kosterlitz–Thouless) 전이 분석을 사용하여 초전도 상과 그 강성도 식별하였다.
• 오비탈 쌍성 파괴 및 밸리 자유도의 영향을 포함한 스핀-싱게렛 대비 스핀-트리플렛 쌍성 이론 모델과 실험 데이터를 비교하였다.
• doping 및 자기장 범위 전반에서 초전도 상의 진화를 분석하여 재진입 행동과 상전이를 구분하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MATTG의 초전도성이 파울리 한계를 초월하여 지속되는가? 이는 비정상적인 쌍성의 징후인가?
• RQ2 강한 스핀-오비탈 결합이 없는 시스템에서 큰 파울리 한계 위반(기대치보다 2~3배 높음)의 기원은 무엇인가?
• RQ3 왜 재진입 초전도성은 전하 밀도와 이완 전압의 좁은 범위에서만 관측되는가?
• RQ4 관측된 행동은 FFLO 상태나 강한 결합 효과와 같은 전통적 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 MATTG의 초전도 쌍성은 스핀-트리플렛일 가능성이 있으며, 밸리-스핀 고정은 고자기장 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• MATTG의 초전도성은 10 T를 초월하는 평행 자기장에서도 유지되며, 이는 전통적인 스핀-싱게렛 초전도체의 파울리 한계보다 2~3배 위반된 것이다.
• 파울리 한계 위반은 전체 초전도 도메인에서 관측되었으며, 가짜 가역상이나 비균일 상과 관련된 설명을 배제한다.
• 고자기장에서 재진입 초전도성이 관측되었으며, 이는 전하 밀도와 이완 전압의 좁은 범위에 국한되어 있어 가능한 1차 전이를 시사한다.
• 임계장 행동은 임계온도 Tc까지 제곱형 B–T 의존성을 따르며, 이는 유한한 온도에서도 고자기장 초전도 상태가 유지됨을 의미한다. 이는 FFLO 상태와 부합하지 않는다.
• 큰 파울리 한계 위반과 재진입 행동은 강한 결합 BCS나 FFLO 메커니즘으로 설명될 수 없으며, 비스핀-싱게렛 쌍성 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 데이터는 스핀-트리플렛 또는 비단위 쌍성 상태를 지지하며, 저자기장(초전도-I, SC-I)과 고자기장(초전도-II, SC-II) 상에서 서로 다른 질서 파라미터를 포함하는 밸리-스핀 고정 질서와 관련된 가능성이 있다.