[논문 리뷰] Quantum-critical continuum in magic-angle twisted bilayer graphene

Alexandre Jaoui, Ipsita Das외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 17.

Graphene research and applications참고 문헌 5인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 전기적 스크리닝을 통해 초전도 및 절연 상을 억제함으로써 마법의 각도를 가진 이중층 그래핀(MATBG)에서 양자 임계 연속체를 규명한다. 초전도 및 절연 상을 억제함으로써 40 mK–20 K의 온도 범위에서 30개 온도 디자인에 걸쳐 T선형 저항도를 보이는 강력한 이상 금속 상태를 규명하였으며, 이는 플랑크 상수 스케일의 산란 비율과 선형 자기장 저항도를 포함한다. 이는 양자 임계 플럭추에이션의 지배를 받는 금속 상태를 시사하며, 초전도성의 발생과 직접적인 연관성을 보여준다.

ABSTRACT

The flat bands of magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) host strongly-correlated electronic phases such as correlated insulators, superconductors and a strange metal state. The latter state, believed to hold the key to a deeper understanding of the electronic properties of MATBG, is obscured by the abundance of phase transitions; so far, this state could not be unequivocally differentiated from a metal undergoing frequent electron-phonon collisions. We report on transport measurements in superconducting (SC) MATBG in which the correlated insulator states were suppressed by screening. The uninterrupted metallic ground state features a T-linear resistivity extending over three decades in temperature, from 40 mK to 20 K, spanning a broad range of dopings including those where a correlation-driven Fermi surface reconstruction occurs. This strange-metal behavior is distinguished by Planckian scattering rates and a linear magneto-resistivity $ ho \propto B$. To the contrary, near charge neutrality or a fully-filled flat band, as well as for devices twisted away from the magic angle, the archetypal Fermi liquid behavior is recovered. Our measurements demonstrate the existence of a quantum-critical phase whose fluctuations dominate the metallic ground state. Further, a transition to the strange metal is observed upon suppression of the SC order, which suggests an intimate relationship between quantum fluctuations and superconductivity in MATBG.

연구 동기 및 목표

• 경쟁하는 상관 상태를 억제함으로써 마법의 각도를 가진 이중층 그래핀(MATBG)에서 금속 상태의 기초 상태를 분리하고 특성화하기.
• 관측된 이상 금속 거동이 양자 임계 플럭추에이션에 기인하는지, 또는 전통적인 전자-음향파 상호작용에 기인하는지 확인하기.
• 초전도 및 절연 상태에서 벗어나 시스템을 조절함으로써 MATBG에서의 양자 임계성과 초전도성 간의 관계를 조사하기.
• 평탄한 밴드 시스템에서의 양자 임계성의 지표로서 플랑크 상수 스케일의 산란과 선형 자기장 저항도의 일반성 확립하기.

제안 방법

• 초전도성 MATBG 장치에서 전기적 스크리닝을 통해 상관 절연체 및 초전도 상태를 억제한 후 전도도 측정 수행.
• 평탄한 밴드 영역을 가로질러 도핑을 조절하기 위해 게이트 전압을 적용하며, 전하 중성점 근처 및 밴드가 완전히 채워진 조건 포함.
• 넓은 온도 범위(40 mK에서 20 K)에서 저항도를 측정하여 T선형 스케일링 행동을 식별.
• 자기장에 따른 저항도의 의존성을 분석하여 선형 B스케일링(이상 금속 거동의 상징)을 테스트.
• 마법의 각도에 가까운 장치와 그로부터 떨어진 장치의 전도도 반응을 비교하여 양자 임계성을 분리.
• 플랑크 상수 스케일의 산란 비율 분석을 통해 양자 임계 플럭추에이션과 전통적 산란 메커니즘을 구별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도 및 절연 상을 억제함으로써 MATBG에서 깔끔하고 끊김 없는 금속 상태를 안정화할 수 있는가?
• RQ2 금속 상태가 넓은 온도 창에서 T선형 저항도를 나타내는가? 이는 이상 금속 거동을 시사한다.
• RQ3 관측된 전도도 특성—플랑크 상수 스케일의 산란과 선형 자기장 저항도—는 양자 임계 플럭추에이션과 일치하는가?
• RQ4 이상 금속성의 발생은 초전도 질서의 억제와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 양자 임계 행동은 도핑에 따라 일반적인가, 아니면 특정한 상의 다이어그램 영역에 국한되는가?

주요 결과

• 40 mK에서 20 K까지의 넓은 도핑 범위에서 30개 온도 디자인에 걸쳐 지속적인 금속 상태가 관측되었으며, 이는 T선형 저항도를 보였다.
• 저항도는 자기장에 대해 선형 의존성(ρ ∝ B)을 보이며, 이는 이상 금속 거동의 특징으로서 플랑크 상수 스케일의 산란 비율과 일치한다.
• 플랑크 상수 스케일의 산란 비율이 측정되었으며, 이는 산란 시간가 ħ/kBT 수준임을 시사하며, 이는 양자 임계성의 상징이다.
• 전하 중성점 또는 완전히 채워진 평탄한 밴드 조건에서, 그리고 마법의 각도에서 벗어난 장치에서는 페르미 액체 거동이 복귀함을 확인하여 이상 금속 상의 특이성을 입증하였다.
• 초전도 질서의 억제가 이상 금속 상태의 발생을 유도함을 통해, 양자 플럭추에이션과 초전도성 간의 직접적인 연관성을 시사한다.
• 결과는 MATBG에서 양자 임계 연속체 존재를 입증하며, 이는 플럭추에이션이 금속 상태를 지배함을 보여주며, 이의 이국적인 전자적 성질을 통합적으로 이해할 수 있는 프레임워크를 제공한다.