[논문 리뷰] Superconductivity and strong interactions in a tunable moiré quasiperiodic crystal

Aviram Uri, Sergio C. de la Barrera외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 01.

Quasicrystal Structures and Properties인용 수 8

한 줄 요약

논문은 두 개의 비정합 꼬임 각을 가진 세 겹의 graphene 층으로 구성된 tunable moiré quasiperiodic crystal에서 초전도성과 강한 상호작용을 보여주며, 주기적-유사 전자 영역과 준주기적 전자 영역을 드러내고 flavor-symmetry-breaking 전이를 밝힌다.

ABSTRACT

Electronic states in quasiperiodic crystals generally preclude a Bloch description, rendering them simultaneously fascinating and enigmatic. Owing to their complexity and relative scarcity, quasiperiodic crystals are underexplored relative to periodic and amorphous structures. Here, we introduce a new type of highly tunable quasiperiodic crystal easily assembled from periodic components. By twisting three layers of graphene with two different twist angles, we form two moiré patterns with incommensurate moiré unit cells. In contrast to many common quasiperiodic structures that are defined on the atomic scale, the quasiperiodicity in our system is defined on moiré length scales of several nanometers. This novel "moiré quasiperiodic crystal" allows us to tune the chemical potential and thus the electronic system between a periodic-like regime at low energies and a strongly quasiperiodic regime at higher energies, the latter hosting a large density of weakly dispersing states. Interestingly, in the quasiperiodic regime we observe superconductivity near a flavor-symmetry-breaking phase transition, the latter indicative of the important role electronic interactions play in that regime. The prevalence of interacting phenomena in future systems with in situ tunability is not only useful for the study of quasiperiodic systems, but it may also provide insights into electronic ordering in related periodic moiré crystals. We anticipate that extending this new platform to engineer quasiperiodic crystals by varying the number of layers and twist angles, and by using different two-dimensional components, will lead to a new family of quantum materials to investigate the properties of strongly interacting quasiperiodic crystals.

연구 동기 및 목표

• 주기적 모형 모식의 moiré 큐시-크리스탈을 넘어서는 준주기적 전자 시스템 탐색의 동기를 제시한다.
• 두 개의 서로 다른 꼬임 각으로 구성된 trilayer graphene으로 만든 tunable moiré quasiperiodic crystal(MQC)을 도입한다.
• 조절 가능한 캐리어 밀도에 따라 전자 구조가 주기적-유사 영역에서 준주기적 영역으로 어떻게 진화하는지 특징화한다.
• MQC에서 상호작용에 의해 flavor-symmetry breaking 및 초전도성과 같은 현상을 조사한다.

제안 방법

• 두 개의 서로 다른 비대칭 꼬임 각을 가진 hBN-캡슐화된 twist trilayer graphene 소자를 제작한다.
• 캐리어 밀도와 전기적 위치장을 조절하여 서로 다른 전자 영역에 접근한다.
• 4단자 전송 측정과 자기장 의존성을 이용해 Landau 준위와 양자 진동을 확인한다.
• 저에너지가 되는 Dirac 원뿔을 재속도 및 D-field에 의한 포텐셜 시프트로 모델링하여 Landau 준위 스펙트럼을 해석한다.
• 공용.umklapp 산란을 포함한 운동량 공간의 tight-binding으로 스펙트럴 함수 계산하여 이론과 준주기적 특징 간의 연결을 밝힌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 비정합 꼬임 각을 가진 trilayer graphene 시스템이 tunable moiré quasiperiodic crystal(MQC)을 실현할 수 있는가?
• RQ2 밀도 및 변위장(displacement field)을 변화시킬 때 전자 구조가 주기적-유사 영역에서 준주기적 영역으로 어떻게 진화하는가?
• RQ3 MQC에서의 상호작용 신호, 예를 들어 flavor-symmetry breaking 및 초전도성은 어떤 특징을 보이는가?
• RQ4 MQC에서 세 층의 Dirac 원뿔은 어떻게 혼성화되고 D-field에 어떻게 반응하는가?
• RQ5 이 플랫폼에서 준주기성과 관찰된 초전도 상태 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 질바로 두 개의 초전도 포켓이 0 저항 온도 T_BKT ≈ 300 mK 및 Tc ≈ 0.4 K에서 확인되었다.
• ν12 ≈ -2 근처에서 홀 밀도 감소를 동반하는 flavor-symmetry-breaking 위상이 관측되었다.
• 두 개의 moiré 단위 셀 채움, n_s,12 ≈ 4.7×10^12 cm^-2 및 더 높은 밀도에서의 n_s,23가 확인되어 moiré quasicrystal의 존재를 뒷받침한다.
• 고밀도 및 변위장에서도 준주기적 영역이 밀집한 피복 교차와 Landau 준위 시각화 감소를 보여준다는 증거.
• 비매직 각도의 moiré 시스템에서 강결합 유사 초전도성과 Tc/T_F ≈ 0.008, 코히런스 길이 ξ ≈ 70 nm (d ≈ 7.5 nm, T_F ≈ 50 K)로 나타난다.
• 스펙트럴 함수 계산은 정주기적 Bloch-like 상태에서 밀집한 준주기적 스펙트럼으로의 전이와 층 해상 기여를 드러낸다.