[논문 리뷰] Observation of superconductivity with Tc onset at 12K in electrically tunable twisted double bilayer graphene

Cheng Shen, Na Li외 12명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 16.

Graphene research and applications인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 초전도 전이 온도가 12 K에서 시작되는 전기적으로 테이너블한 초전도성 테일러드 듀얼 블레이드 그래핀에서 전기적 테이닝을 통해 초전도성을 입증한다. 이재료에 이완 전위를 적용함으로써 연구진은 시스템 내 평탄한 밴드를 조절하였으며, 반만 채워진 상태에서 상호작용에 기인한 절연 상태와 약 2의 g인자에 의한 스핀 분극의 증거를 관찰하여, 이 플랫폼이 양자 다체 현상을 연구하는 데 매우 조절 가능하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Electron-electron interactions play an important role in graphene and related systems and can induce exotic quantum states, especially in a stacked bilayer with a small twist angle. For bilayer graphene where the two layers are twisted by a magic angle, flat band and strong many-body effects lead to correlated insulating states and superconductivity. In contrast to monolayer graphene, the band structure of untwisted bilayer graphene can be further tuned by a displacement field, providing an extra degree of freedom to control the flat band that should appear when two bilayers are stacked on top of each other. Here, we report the discovery and characterization of such displacement-field tunable electronic phases in twisted double bilayer graphene. We observe insulating states at a half-filled conduction band in an intermediate range of displacement fields. Furthermore, the resistance gap in the correlated insulator increases with respect to the in-plane magnetic fields and we find that the g factor according to spin Zeeman effect is ~2, indicating spin polarization at half filling. These results establish the twisted double bilayer graphene as an easily tunable platform for exploring quantum many-body states.

연구 동기 및 목표

• 전기적으로 조절 가능한 평탄한 밴드를 지닌 테일러드 듀얼 블레이드 그래핀에서 양자 다체 상태를 탐구하기 위해.
• 전자-전자 상호작용이 상호작용 절연 및 초전도 상을 유도하는 데 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 적용된 이완 전위가 전자 구조와 상호작용 상태의 발생에 미치는 영향를 규명하기 위해.
• 입자 자기장 의존성에 의한 스핀 분극 특성 분석을 통해 절연 상태의 스핀 분극을 특성화하기 위해.
• 테일러드 듀얼 블레이드 그래핀을 상호작용 전자 물리학을 연구하는 데 매우 조절 가능한 플랫폼으로 확립하기 위해.

제안 방법

• 이중 블레이드 간의 제어된 비스듬한 각도를 가진 테일러드 듀얼 블레이드 그래핀 헤테로구조의 제작.
• 상부 및 백 게이트를 통한 이완 전위 적용으로 밴드 구조를 조절하고 평탄한 밴드를 유도.
• 다양한 이완 전위와 자기장 조건에서 전기적 운반 성질, 즉 저항 및 홀 효과 측정.
• 입자 자기장을 사용하여 제이만 효과를 통해 스핀 분극을 탐지하고 g인자를 추출.
• 자기장 하에서 저항 갭의 진화 분석을 통해 절연 상태의 성격을 추론.
• 반만 채워진 밴드 충전 상태와 절연 및 초전도 상의 발생 간의 상관관계 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기적 이완 전위를 통해 테일러드 듀얼 블레이드 그래핀에서 초전도성이 유도되고 조절될 수 있는가?
• RQ2 이완 전위의 적용이 평탄한 밴드 형성과 상호작용 절연 상태 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 입자 자기장 반응을 통해 드러난 반만 채워진 상태에서 절연 상태의 스핀 분극 성격은 어떠한가?
• RQ4 절연 상태에서의 g인자는 얼마이며, 이는 스핀 제이만 분리에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 입자 자기장 하에서 상호작용 절연체의 저항 갭은 어떻게 진화하는가?

주요 결과

• 전기장 조절 조건에서 테일러드 듀얼 블레이드 그래핀에서 Tc가 12 K에서 시작되는 초전도성이 관측되었다.
• 중간 범위의 이완 전위에서 도핑된 도핑 밴드의 반만 채워진 상태에서 상호작용 절연 상태가 나타났다.
• 입자 자기장 증가에 따라 절연체의 저항 갭이 증가하여 에너지 분리가 강화됨을 나타낸다.
• 제이만 분리에서 추출한 g인자는 약 2로, 반만 채워진 상태에서 강한 스핀 분극이 있음을 시사한다.
• 이완 전위를 통해 평탄한 밴드를 조절 가능하여 상호작용 전자 상의 제어가 가능하다.
• 테일러드 듀얼 블레이드 그래핀은 초전도성과 스핀 분극 절연체를 포함한 풍부한 상도 다이어그램을 지닌다.