[논문 리뷰] Spin-polarized Correlated Insulator and Superconductor in Twisted Double Bilayer Graphene

Xiaomeng Liu, Zeyu Hao외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 19.

Graphene research and applications인용 수 39

한 줄 요약

논문은 비틀린 이중 이층 그래핀(TDBG)에서 스핀 편향 상관 절연 상태와 스핀 편향 초전도성을 변위장(D)과 밀도에 의해 조정 가능함을 보여주며, 평면 내 자기장에 의한 초전도성의 증가를 포함한다. 결과는 모이어 플랫 밴드 시스템에서 스핀 편향 결합 및 강자기 상관관계를 시사한다.

ABSTRACT

Ferromagnetism and superconductivity typically compete with each other since the internal magnetic field generated in a magnet suppresses the formation of spin-singlet Cooper pairs in conventional superconductors. Only a handful of ferromagnetic superconductors are known in heavy fermion systems, where many-body electron interactions promoted by the narrow energy bands play a key role in stabilizing these emergent states. Recently, interaction-driven superconductivity and ferromagnetism have been demonstrated as separate phenomena in different density regimes of flat bands enabled by graphene moire superlattices. Combining superconductivity and magnetism in a single ground state may lead to more exotic quantum phases. Here, employing van der Waals heterostructures of twisted double bilayer graphene (TDBG), we realize a flat electron band that is tunable by perpendicular electric fields. Similar to the magic angle twisted bilayer graphene, TDBG exhibits energy gaps at the half and quarter filled flat bands, indicating the emergence of correlated insulating states. We find that the gaps of these insulating states increase with in-plane magnetic field, suggesting a ferromagnetic order. Upon doping the ferromagnetic half-filled insulator, superconductivity emerges with a critical temperature controlled by both density and electric fields. We observe that the in-plane magnetic field enhances the superconductivity in the low field regime, suggesting spin-polarized electron pairing. Spin-polarized superconducting states discovered in TDBG provide a new route to engineering interaction-driven topological superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 전기장으로 조정 가능한 평탄 밴드를 비틀린 이중 이층 그래핀(TDBG)에서 시연하고, 반(half) 및 4분의 1 필링에서 상관 절연 상태를 식별한다.
• 평가 절연 간격이 평면 자기장에 따라 커지는지 보여주어 강자성 순서를 시사한다.
• 강자성 절연체를 도핑하여 초전도성을 발견하고 밀도와 변위장(D)에 따른 의존성을 도표화한다.
• 초전도 상태의 스핀 편향 특성과 평행 자기장에 대한 반응을 특성화한다.
• 모이어 시스템에서의 상호작용에 의해 주도되는 위상적 초전도성에 대한 시사점을 논의한다.

제안 방법

• 드라이 트랜스퍼 방법으로 비틀림 각도 약 1.24°–1.33°인 TDBG 소자를 제조한다.
• 상단 및 하단 그래파이트 게이트로 전자 밀도 n과 변위장 D를 제어한다.
• V_TG, V_BG, T, 및 자기장(B_⊥, B_∥)에 따른 네 터미널 저항 ρ를 측정한다.
• ρ(T)의 Arrhenius 활성화 거동을 통해 절연 간격 Δ_n_s/2 및 Δ_n_s/(4)를 확인한다.
• 반가득 절연체 주변의 저저항 솟구침(dome)을 관찰하여 초전도 영역을 결정하고 I–V 곡선으로 BKT 특성을 추출한다.
• 겐만-필드 의존성(g ≈ 2)으로 간격의 크기를 분석하고 밴드의 스핀 편향을 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기장으로 TDBG를 조정하여 특정 필링에서 고립된 플랫 밴드와 상관 절연 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ2 TDBG에서 반가득 절연 상태가 평행 자기장에 대한 반응으로 신호되는 강자성 스핀 편향을 나타내는가?
• RQ3 TDBG에서 강자성 절연체를 도핑하여 초전도성을 얻을 수 있으며, 그것이 스핀 편향되는가?
• RQ4 평행 자기장이 TDBG에서 초전도 전이온도와 임계 거동(BKT 등)에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 변위장을 받으면 TDBG에서 평탄하고 tunable한 도전대역이 형성되어 반가득/사분 필 상태에서 상관 절연 상태를 유발한다.
• 반가득 절연 간 Δ_n_s/2가 평행 자기장에 따라 증가하여 스핀 편향(강자성) 순서와 일치한다.
• 반가득 강자성 절연체를 도핑하면 초전도성이 생기며 밀도와 변위장에 대해 돔 형태의 의존성을 보인다.
• 초전도성은 낮은 평행 자기장에서 강해지고 BKT 전이를 보이며 스핀 편향(가능한 triplet) 결합을 시사한다.
• 초전도 영역은 밀도 n_m 및 변위장 D_m 근처에서 가장 강하며, T_BKT 및 임계장 B_∥^c가 비전형적인 스핀 편향 짝짓기 동작을 나타낸다.