[논문 리뷰] Observation of superconductivity in bilayer graphene/hexagonal boron nitride superlattices

Satoshi Moriyama, Yoshifumi Morita외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 27.

Graphene research and applicationsMaterials Science참고 문헌 35인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 이중층 그래핀과 헥사곤형 붕소질화물(hBN)으로 구성된 반데르발스 이중구조에서 전기적으로 조절 가능한 초전도성을 입증한다. 모이레 수반격자(moiré superlattice)를 형성하는 연구자들은 현장에서 전하 밀도를 조절함으로써 임계온도가 최대 14 K에 이르는 초전도 도메인을 관찰하였으며, 이는 베레진스키-코스터리츠-타우리스(Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT) 메커니즘에 의한 비틀림 진동자의 고립을 나타낸다. 이는 2차원 재료에서 원자층 수준의 초전도성을 위한 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

A class of low-dimensional superconductivity (SC), such as most of "atomic-layer" SCs, has survived only under certain circumstances, implying a role of the substrate. Moreover, in some recent SC discoveries at heterogeneous interfaces, SC was buried in bulk solids and ex situ. Genuine atomic-layer SC is difficult to access. Here we report a novel route to atomic-layer SC in graphene superlattices. Our device comprises stacked non-twisted bilayer graphene (BLG) and hexagonal boron nitride (hBN), i.e., hBN/BLG/hBN Moiré superlattices. Upon in situ electrostatic doping, we observe an SC dome with a critical temperature up to $T_{ m{BKT}} = 14 m{K}$, corresponding to the confinement of vortices. We believe that SC via doping Dirac materials is ubiquitous in condensed matter and that this study paves a way toward the design of a new SC family.

연구 동기 및 목표

• 이중층 그래핀과 헥사곤형 붕소질화물로 구성된 원자 두께의 2차원 이중구조에서 초전도성의 발생을 탐구한다.
• 모이레 주기성을 가진 반데르발스 이중구조에서 전하 밀도 조절을 통해 초전도성이 유도되고 제어될 수 있는지 조사한다.
• 이러한 공학적 2차원 수반격자에서의 초전도성 임계온도와 메커니즘을 규명한다.
• 2차원 재료에서 내재된 원자층 수준의 초전도체를 설계하고 연구하기 위한 새로운 플랫폼을 구축한다.

제안 방법

• 이중층 그래핀과 헥사곤형 붕소질화물 층이 정렬되어 있고 비회전된 상태인 hBN/BLG/hBN 이중구조를 제작하여 모이레 수반격자를 형성한다.
• 디렉 포인트를 통과하고 초전도 영역으로 들어가기 위해 현장에서 전하 밀도를 조절하는 전기적 게이팅을 사용한다.
• 저항과 미분 도전도를 측정하여 초전도 전이를 식별하기 위해 전기적 운반 특성을 측정한다.
• 비틀림 진동자의 분리 행동을 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) 이론을 사용하여 분석하고 임계온도를 추출한다.
• 고품질의 헥사곤형 붕소질화물 봉입을 활용하여 이중층 그래핀 시스템의 불순물과 위상 일관성을 최소화한다.
• 게이트 전압과 온도를 체계적으로 변화시켜 초전도 상도도를 매핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중층 그래핀/hBN 이중구조에서 전하 밀도 조절을 통해 제어 가능한 현장에서 초전도성이 유도될 수 있는가?
• RQ2 이러한 2차원 수반격자에서 도달 가능한 최대 임계온도는 얼마이며, 초전도 전이를 지배하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 모이레 수반격자 잠재력은 이중층 그래핀에서 쿠퍼 쌍의 쌍성 메커니즘과 일관성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 초전도성은 2차원 인터페이스에 내재된 것인가, 아니면 기초재료나 부피 효과에 의해 매개되는가?
• RQ5 초전도 도메인은 잘 정의된 원자층 두께의 이중구조에서 조절되고 안정화될 수 있는가?

주요 결과

• Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) 메커니즘에 의해 결정된 바에 따르면, hBN/BLG/hBN 이중구조에서 최대 14 K의 임계온도를 가지는 초전도성이 관측되었다.
• 현장에서 전하 밀도 조절을 통해 초전도 도메인이 전기적으로 조절 가능하며, 이는 게이팅 제어 초전도 상을 나타낸다.
• 초전도 전이가 비틀림 진동자의 분리와 일치하여, 2차원에서의 초전도성에 대해 BKT 시나리오를 지지한다.
• 저항이 최소화된 깔끔한 봉입 2차원 시스템에서 초전도성이 발생하여 쌍성의 내재적 성격을 나타낸다.
• 14 K의 임계온도는 현재 보고된 바 있는 2차원 반데르발스 이중구조에서의 내재된 원자층 초전도체 중 가장 높은 수준이다.
• 결과적으로, 이중구조화와 전기적 제어를 통해 디렉 재료에서 초전도성을 공학적으로 설계할 수 있으며, 새로운 종류의 2차원 초전도체로 가는 길을 열어준다.