[논문 리뷰] Magic angles and correlations in twisted nodal superconductors

Pavel A. Volkov, Justin H. Wilson외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 14.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이중층 2차원 노달 초전도체의 비틀림에서 상호작용에 의해 시간역전대칭을 깨는 초전도 상태가 나타나는 '마법의 각도'가 존재한다고 제안한다. 이 각도에서 쿼웨이프article 속도는 상호작용에 의해 소멸하고, 이는 이차 밴드 접촉을 유도한다. 이 각도에서 외부 필드(이완 필드, 자기장, 전류)를 통해 조절 가능하며, 코페이트 및 헤비 페르미온과 같은 노달 초전도체에서 양자상의 상호작용을 설계하는 데 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

Motivated by recent advances in the fabrication of twisted bilayers of 2D materials, we consider the low-energy properties of a twisted pair of two-dimensional nodal superconductors. We study both the cases of singlet and triplet superconductors. It is demonstrated that the Bogoliubov-de Gennes (BdG) quasiparticle dispersion undergoes dramatic reconstruction due to the twist. In particular, the velocity of the neutral massless Dirac excitations near the gap nodes is strongly renormalized by the interlayer hopping and vanishes at a ``magic angle'' where in the limit of a circular Fermi surface a quadratic band touching is formed. In addition, it is shown that the BdG disperion can be tuned with an interlayer displacement field, magnetic field, and current, which can suppress the velocity renormalization, create finite BdG Fermi surfaces, or open a gap, respectively. Finally, interactions between quasiparticles are shown to lead to the emergence of a correlated superconducting state breaking time-reversal symmetry in the vicinity of the magic angle. Estimates of the magic angle in a variety of nodal superconductors are presented, ranging from the cuprates to the organic and heavy fermion superconductors, all of which are shown to be promising for the experimental realization of our proposal.

연구 동기 및 목표

• 비틀림 이중층 2차원 노달 초전도체의 저에너지 쿼웨이프article 스펙트럼, 특히 갭 노드 근처에서의 특성을 이해하기 위해.
• 층 간 상호작용과 비틀림 각도가 보골리우브-데 게인즈(BdG) 쿼웨이프article 분포 및 속도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 외부 필드(이완 필드, 자기장, 전류)를 통한 시스템 조절 방법과 그 쿼웨이프article 성질에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 전자-전자 상호작용이 마법의 각도 근처에서 시간역전대칭을 깨는 상호작용 초전도 상태를 유도하는 역할을 하는지 검토하기 위해.
• 실험적으로 타당한 노달 초전도체, 즉 코페이트, 유기 및 헤비 페르미온 초전도체에서의 마법의 각도 추정치를 산출하기 위해.

제안 방법

• 쿼웨이프article 진동을 기술하기 위해 보골리우브-데 게인즈(BdG) 형식을 사용한 저에너지 효과 모델을 수립한다.
• 층 간 상호작용 하에서 BdG 쿼웨이프article 분포를 분석하여 속도 재규격화와 임계 '마법의 각도'에서 이차 밴드 접촉이 나타나는 것을 보여준다.
• 원형 피에르 피면을 가진 연속 모델을 사용하여 마법의 각도에서 쿼웨이프article 속도가 0이 되는 조건을 해석적으로 유도한다.
• 이완 필드, 자기장, 전류 등의 외부 편향을 적용하여 BdG 스펙트럼을 조절하며, 속도 재규격화 억제 또는 갭 열림을 가능하게 한다.
• 전자-전자 상호작용을 포함하기 위해 정점 보정이 적용된 갭 방정식을 해결하여, 마법의 각도 근처에서 시간역전대칭을 깨는 초전도 상태의 존재를 보여준다.
• 초전류 운반에 미치는 수정된 스펙트럼의 영향을 평가하기 위해 조셉슨 전류-위상 관계를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노달 초전도체에서 중성 디랙 쿼웨이프article의 속도에 비틀림 각도가 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 쿼웨이프particle 속도가 소멸하고 이차 밴드 접촉이 발생하는 비틀림 각도는 무엇이며, 이 '마법의 각도'는 어떻게 결정되는가?
• RQ3 이완 필드, 자기장, 전류와 같은 외부 필드는 비틀림 노달 초전도체에서 BdG 쿼웨이프particle 스펙트럼을 어떻게 조절하는가?
• RQ4 전자-전자 상호작용은 마법의 각도 근처에서 시간역전대칭을 깨는 초전도 상태를 유도하는가?
• RQ5 코페이트, 유기 및 헤비 페르미온 물질과 같은 실험적으로 관련이 있는 노달 초전도체에서의 마법의 각도 추정치는 무엇인가?

주요 결과

• 비틀림 노달 초전도체에서 쿼웨이프particle 속도는 층 간 상호작용에 의해 강하게 재규격화되며, 이차 밴드 접촉이 발생하는 '마법의 각도'에서 소멸한다. 이는 위상 전이를 나타낸다.
• 원형 피에르 피면의 극한에서 마법의 각도는 해석적으로 유도되었으며, 이는 층 간 상호작용 에너지가 피에르 속도와 갭 스케일과 일치할 조건을 만족할 때 성립한다.
• 외부 이완 필드는 속도 재규격화를 억제할 수 있으며, 자기장은 BdG 스펙트럼에 갭을 열 수 있고, 전류를 인가하면 쿼웨이프particle 분포에 유한한 피에르 표면을 유도할 수 있다.
• 전자-전자 상호작용은 마법의 각도 근처에서 시간역전대칭을 깨는 상호작용 초전도 상태의 존재를 이끈다.
• 다양한 노달 초전도체, 즉 코페이트, 유기 및 헤비 페르미온 시스템에서의 마법의 각도 추정치는 약 ~1°에서 ~5° 범위이며, 실험적으로 타당함을 시사한다.
• 마법의 각도 근처에서 조셉슨 전류-위상 관계는 근사적으로 사인 함수 형태를 유지하며, 매우 낮은 위상 차이에서는 로그 보정이 발생하지만, 일반적인 실험 조건에서는 무시할 수 있다.