[논문 리뷰] Nematicity and Orbital Depairing in Superconducting Bernal Bilayer Graphene with Strong Spin Orbit Coupling

Ludwig Holleis, Caitlin L. Patterson외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 01.

Graphene research and applications참고 문헌 64인용 수 21

한 줄 요약

본 논문은 WSe2에 인접된 Ising SOC를 가진 Bernal 이층 그래핀에서 두 가지 초전도 상태(SC1 및 SC2)를 보고하며, SC2는 네마틱 정상상태에서 기원하고, 두 상태는 면 내 필드에 강건하며 파라매그네틱 한계를 위반하여 Ising SOC에 의한 초전도성 강화와의 연결성을 시사한다.

ABSTRACT

Superconductivity (SC) is a ubiquitous feature of graphite allotropes, having been observed in Bernal bilayers[1], rhombohedral trilayers[2], and a wide variety of angle-misaligned multilayers[3-6]. Despite significant differences in the electronic structure across these systems, supporting the graphite layer on a WSe$_2$ substrate has been consistently observed to expand the range of SC in carrier density and temperature[7-10]. Here, we report the observation of two distinct superconducting states (denoted SC$_1$ and SC$_2$) in Bernal bilayer graphene with strong proximity-induced Ising spin-orbit coupling. Quantum oscillations show that while the normal state of SC$_1$ is consistent with the single-particle band structure, SC$_2$ emerges from a nematic normal state with broken rotational symmetry. Both superconductors are robust to in-plane magnetic fields, violating the paramagnetic limit; however, neither reach fields expected for spin-valley locked Ising superconductors. We use our knowledge of the Fermi surface geometry of SC$_1$ to argue that superconductivity is limited by orbital depairing arising from the imperfect layer polarization of the electron wavefunctions. Finally, a comparative analysis of transport and thermodynamic compressibility measurements in SC$_2$ shows that the proximity to the observed isospin phase boundaries, observed in other rhombohedral graphene allotropes, is likely coincidental, constraining theories of unconventional superconducting pairing mechanisms in theses systems.

연구 동기 및 목표

• WSe2 위 BBG에서 근접 유도된 Ising 스핀궤도 결합(SOC)이 초전도성에 미치는 영향을 조사한다.
• SC1과 SC2라는 서로 다른 초전도 상태와 그 정상 상태의 페르미오로지를 식별하고 특징화한다.
• SC2의 출현에서 네마틱 질서의 역할과 이것이 초전도성에 미치는 영향을 규명한다.
• Ising SOC 하에서 초전도성의 강화와 그 자장 의존성을 정량화한다.
• SOC가 면 내 자기장에 대한 내성 및 파라매그네틱 한계에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• Ising SOC를 포함하는 타이트 바인딩 밴드 구조 모델을 사용하여 저에너지 전자구조를 해석한다.
• 전기 전도도 측정과 양자 진동(Shubnikov–de Haas)을 측정하여 페르미면 위상지도를 작성하고 Luttinger 합 규칙을 검증한다.
• 랜드au 준위 일치를 통해 근접 유도 Ising SOC 강도(λI)를 결정한다.
• 비선형 전도와 Berezinskii–Kosterlitz–Thouless(BKT) 피트를 사용하여 Tc와 TBKT를 추출하는 초전도 전이 분석.
• 시는 Tc의 면 내 자장 의존성을 Ising-SOC 예측 스케일링 Tc/Tc0 = 1 − B_parallel^2/(B_SO B_P)과 대조하여 테스트한다.
• 저항과 반전 압축성 κ를 동시에 측정하여 BBG/WSe2의 초전도성과 SOC 없는 결정 그래핀과의 차이를 비교한다.

Figure 1: Superconductivity in Bernal bilayer graphene (BBG) on WSe 2 . (A) Sample schematic showing dual gated BBG on WSe 2 . (B) Band structure calculated within a tight binding model including Ising SOC. Bands correspond to the different isospin flavors as indicated. Here $a_{0}$ = 2.46 Åis the g

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WBG/B wachten?

주요 결과

• 홀 도핑된 BBG/WSe2에서 큰 displacement fields 하에 두 가지 서로 다른 초전도 상태 SC1과 SC2가 나타나며; SC1의 Tc는 약 40 mK이고 SC2는 더 높은 Tc를 가지며 TBKT ≈ 255 mK인 Berezinskii–Kosterlitz–Thouless 온도를 보인다.
• SC2는 회전 대칭이 깨진 네마틱 정상상태(N2,4)에서 비롯되며, 양자 진동수의 진화와 Luttinger 합 규칙 분석에 의해 입증된다.
• SC1과 SC2 모두 면 내 자기장에 대해 강건하고 파라매그네틱 한계를 위반하며 Ising 스핀오빗 결합 초전도성과 일치한다; Tc는 면 내 자장에 대해 B_SO와 B_P를 포함하는 법칙을 따라 스케일링된다.
• 측정된 Ising SOC 강도는 λI ≈ 1.6 meV이며, SOC 존재하에서의 페르미면 위상은 관찰된 Landau 준위의 일치와 일반화된 Luttinger 합 규칙을 만족하는 여러 진동수(fν)를 설명한다.
• SC2의 자장 의존성은 보편적 스케일링 η = Tc/(1 − B_parallel^2/(B_SO B_P))으로 수렴하며, 스핀 정의 페르미면 간의 짝짓기를 시사하고 Ising 초전도성의 기제로 스핀-밸리 락킹을 지지한다.
• 근접 SOC가 없는 그래핀 시스템과의 비교는 BBG/WSe2에서 초전도성이 향상되며 단지 이스오핀 전이에만 좌우되지 않음을 보여주고, 네마틱 질서의 SOC-유도 안정화를 더 높은 Tc로 이끄는 경로로 시사한다.

Figure 2: Fermiology of the superconducting states in the presence of Ising SOC. (A) R xx at $D$ = 0.95 V/nm, including the domain of SC 1 . (B) Fourier transform of $R_{xx}(1/B_{\perp})$ over the same density range. The Fourier transforms are performed over a field range of 130 - 400 mT and 130 - 2