[논문 리뷰] Re-entrant Superconductivity Through a Quantum Lifshitz Transition in Twisted Trilayer Graphene

Ethan Lake, T. Senthil|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 28.

Graphene research and applications참고 문헌 58인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 평행 자기장에 의해 유도되는 유한운동량 쌍화를 일으키는 양자 리프시츠 전이에 의해 비틀어진 삼중층 그래핀(TTG)에서 재입구 초전도성(resonant superconductivity)이 발생한다고 제안한다. 초전도 상태는 스핀 싱เก트론/트리플렛 혼성 상태이며, 고자기장 영역에서는 임계점에서 초전도체의 유동성 강도가 0이 되어 파울리 한계를 초월한 초전도성의 강건성을 설명하며, 이는 비틀어진 이중층 그래핀(TBG)과 대조된다.

ABSTRACT

A series of recent experiments have demonstrated robust superconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene (TTG). In particular, a recent work by Cao et al. (arxiv:2103.12083) studies the behavior of the superconductor in an in-plane magnetic field and out-of-plane displacement field, finding that the superconductor is unlikely to be spin-singlet. This work also finds that at high magnetic fields and a smaller range of dopings and displacement fields, it undergoes a transition to a distinct field-induced superconducting state. Inspired by these results, we develop an understanding of superconductivity in TTG using a combination of phenomenological reasoning and microscopic theory. We describe role that that an in-plane field plays in TTG, and use this understanding to argue that the re-entrant transition may be associated with a quantum Lifshitz phase transition, with the high-field phase possessing finite-momentum pairing. We argue that the superconductor is likely to involve a superposition of singlet singlet and triplet pairing, and describe the structure of the normal state. We also draw lessons for twisted bilayer graphene (TBG), and explain the differences in the phenomenology with TTG despite their close microscopic relationship. We propose that a singlet-triplet superposition is realized in the TBG superconductor as well, and that the $ u = -2$ correlated insulator may be a time reversal protected $\mathbb{Z}_2$ topological insulator obtained through spontaneous spin symmetry breaking.

연구 동기 및 목표

• 비틀어진 삼중층 그래핀(TTG)에서 평행 자기장 하에 관찰된 재입구 초전도 전이를 설명하기 위해.
• 비틀어진 이중층 그래핀(TBG)과 달리 TTG에서 초전도성이 파울리 한계를 초월해 유지되는 이유를 이해하기 위해.
• TTG에서의 쌍화 대칭을 스핀 싱게트론과 스핀 트리플렛 성분의 초위상으로 식별하기 위해.
• ν ≈ −2 근처의 정상 상태의 성격을 명확히 하여, 시간역학 보호된 Z2 토폴로지 절연체이자 자발적 스핀 대칭 붕괴를 겪는 상태를 제안하기 위해.
• TTG와 TBG 간의 유사성과 차이점을 비교하여, 평행 자기장 하에서의 초전도 안정성의 차이를 밝혀내기 위해.

제안 방법

• TTG에서 평행 자기장(B∥)과 수직 이완판 전위차(D)에 의해 영향을 받는 초전도성을 모델링하기 위해, 금속 이론과 미시적 이론을 결합한 진동 이론(Ginzburg-Landau phenomenology)을 사용한다.
• 거울 대칭 기저(ψ+, ψ2, ψ−)에서 단일 입자 해밀토니안을 분석하여, 거울 기저에서 홀로 남는 ψ− 디랙 원추가 초전도 쌍화의 핵심임을 규명한다.
• 초전도체의 유동성 강도 성분이 유한운동량에서 0이 되는 양자 리프시츠 전이를 식별하여, 피어미 표면의 토폴로지적 변화를 나타낸다.
• 제이만 결합(HZ = −μBgB·s)을 사용하여 평행 자기장 효과를 모델링하고, B∥가 스핀 디세너지화를 일으키며 유한운동량 쌍화를 안정화함을 보여준다.
• 대칭 분석을 적용하여 쌍화 상태가 순수 대칭 분류 없이 스핀 싱게트론과 트리플렛 성분의 선형 조합임을 주장한다.
• TTG와 TBG를 비교하여, ν = −2 절연체가 자발적 스핀-SU(2) 대칭 붕괴를 통해 Z2 토폴로지 절연체가 될 수 있음을 제안하며, 이는 TBG와는 다름을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀어진 삼중층 그래핀에서 평행 자기장 하에 B ≈ 8 T에서 관찰된 재입구 초전도 전이의 원인은 무엇인가?
• RQ2 왜 TTG의 초전도성이 파울리 한계를 초월해 유지되는가? 이는 비틀어진 이중층 그래핀과는 어떻게 다를까?
• RQ3 TTG에서의 쌍화 대칭의 성격은 무엇이며, 순수 스핀 싱게트론 또는 스핀 트리플렛 쌍화와 어떻게 다를까?
• RQ4 TTG에서 ν ≈ −2 근처의 정상 상태는 일반 금속과 어떻게 다를까? 어떤 토폴로지적 성질을 지닐까?
• RQ5 비슷한 미세 구조를 가진 TTG와 TBG가 평행 자기장에 대해 서로 다른 반응을 보이는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• TTG에서의 재입구 초전도 전이는 초전도체의 유동성 강도가 유한운동량에서 0이 되는 양자 리프시츠 전이에 의해 유도되며, 이는 피어미 표면의 토폴로지적 변화를 나타낸다.
• 고자기장 영역의 초전도 상태는 유한운동량 쌍화를 포함하며, 이는 초전도 상태를 파울리 한계를 초월해 안정화시키고 평행 자기장에 대한 강건성을 설명한다.
• 초전도 상태는 순수 대칭 분류 없이 스핀 싱게트론과 스핀 트리플렛 쌍화 성분의 선형 초위상으로 이루어져 있다.
• ν = −2에서 정상 상태는 자발적 스핀 대칭 붕괴를 통해 생성된 시간역학 보호된 Z2 토폴로지 절연체로 제안되며, 별개의 디랙 원추와 공존한다.
• 평행 자기장(B∥)은 스핀 디세너지화를 일으키며 시스템을 리프시츠 점을 통과하게 하며, 이완판 전위차 D는 피어미 표면을 조정하여 초전도성을 강화한다.
• 이 모델은 Cao 등(2021)의 실험 데이터와 일치하는 부드러운 Tonset(시작 온도)과 급격한 T_BKT(BKT 전이) 행동을 재입구 전이 영역에서 설명한다.