[논문 리뷰] Signatures of Chiral Superconductivity in Rhombohedral Graphene

Tonghang Han, Zhengguang Lu외 21명|arXiv (Cornell University)|2024. 08. 27.

Graphene research and applicationsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 모이레 초격자 없이 라인보이드 테트라- 및 펜타층 그래핀에서 강력한 비보수 초전도성을 보고하며, 자발적 시간역행 대칭 붕괴, 외향자장 하에서 저항의 자성 히스테리시스, 축방향 자장에 대한 면역성, 임계자장 최대 1.4 T 등의 특징을 통해 캐리어 초전도성의 징후를 제시한다. 이 결과는 토폴로지적 초전도성과 메이저라 페르미온 연구를 위한 순수한 탄소 플랫폼을 구축한다.

ABSTRACT

Chiral superconductors are unconventional superconducting states that break time reversal symmetry spontaneously and typically feature Cooper pairing at non-zero angular momentum. Such states may host Majorana fermions and provide an important platform for topological physics research and fault-tolerant quantum computing. Despite intensive search and prolonged studies of several candidate systems, chiral superconductivity has remained elusive so far. Here we report the discovery of robust unconventional superconductivity in rhombohedral tetra- and penta-layer graphene in the absence of moiré superlattice effects. We observed two superconducting states in the gate-induced flat conduction bands with Tc up to 300 mK and charge density ne as low as 2.4*1011 cm-2 in three tetralayer and two pentalayer devices. Spontaneous time-reversal-symmetry-breaking (TRSB) due to electron's orbital motion is found, and several observations indicate the chiral nature of these superconducting states, including: 1. In the superconducting state, Rxx shows magnetic hysteresis in varying out-of-plane magnetic field B, which is absent from all other superconductors; 2. the superconducting states are immune to in-plane magnetic field and are developed within a spin- and valley-polarized quarter-metal phase; 3. the normal states show anomalous Hall signals at zero magnetic field and magnetic hysteresis. We also observed a critical B of up to 1.4 Tesla, higher than any graphene superconductivity reported so far and indicates a strong-coupling superconductivity close to the BCS-BEC crossover. Our observations establish a pure carbon material for the study of topological superconductivity, and pave the way to explore Majorana modes and topological quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 모이레 초격자 없이 라인보이드 다층 그래핀에서 비보수 초전도성을 식별하고 특성화하기.
• 관측된 초전도 상태가 자발적으로 시간역행 대칭을 위반하는지 확인하기.
• 평탄한 밴드 그래핀 시스템에서 코플러 쌍의 캐리어 성격 연구하기.
• 탄소 기반 플랫폼에서 메이저라 페르미온을 수용할 잠재성 탐색하기.
• 반데르발스 헤테로구조에서 BCS-BEC 전이 근처의 강한 결합 초전도 상태 수립하기.

제안 방법

• 저밀도 (ne = 2.4×10¹¹ cm⁻²)의 평탄한 도핑 밴드를 갖는 라인보이드 테트라- 및 펜타층 그래핀 장치에 게이트 조절을 통해 평탄한 도핑 밴드 유도하기.
• 외향 및 축방향 자기장 변화에 따른 전기적 운반성질 측정, 특히 종방향 저항 Rxx 측정하기.
• 정상 상태에서의 이례적 홀 신호 및 외향 자기장 스윕 하에서 Rxx의 자성 히스테리시스 탐지하기.
• 초전도 전이 온도 Tc 최대 300 mK 및 임계자장 Bc 최대 1.4 T 분석하기.
• 캐리어 및 범위가 극도로 극성화된 1/4 금속 상을 캐리어 초전도성의 전구로 사용하기.
• 다양한 장치 간 운반 특성 비교를 통한 시간역행 대칭 위반 징후의 재현 가능성 확인하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라인보이드 다층 그래핀에서의 초전도성이 자발적인 시간역행 대칭 붕괴를 보여주는가?
• RQ2 외향 자기장 하에서 Rxx의 자성 히스테리시스로 나타나는 관측된 초전도 상태가 캐리어 성격을 갖는가?
• RQ3 모이레 초격자가 없는 순수한 탄소 시스템에서 캐리어 초전도성이 나타날 수 있는가?
• RQ4 초전도 임계자장의 강도는 얼마이며, BCS-BEC 전이 근처의 강한 결합 행동을 나타내는가?
• RQ5 초전도 상태가 축방향 자기장에 대해 강건한가? 이는 캐리어 쌍의 대칭성과 일치하는가?

주요 결과

• 라인보이드 테트라- 및 펜타층 그래핀에서 두 개의 초전도 상태를 관측하였으며, Tc 최대 300 mK, 실온 밀도 최소 2.4×10¹¹ cm⁻².
• 외향 자기장 하에서 Rxx에 관측된 자성 히스테리시스는 초전도 상태에서만 나타나며, 자발적 시간역행 대칭 붕괴를 시사한다.
• 초전도 상태는 축방향 자기장에 대해 강건하며, 캐리어 쌍의 대칭성과 일치한다.
• 정상 상태에서의 이례적 홀 신호 및 자성 히스테리시스는 캐리어 상태가 사전 존재할 수 있음을 시사하며, 가능성이 1/4 금속 상일 수 있다.
• 임계 자기장은 최대 1.4 T에 도달하며, 그래핀 초전도체에서 보고된 바 중 최고 수준이며, BCS-BEC 전이 근처의 강한 결합 행동을 나타낸다.
• 모이레 초격자가 없음을 통해 캐리어 초전도성이 라인보이드 적층에서의 내재 전자 상호작용에서 기인함을 확인한다.