[논문 리뷰] Tunable Phase Boundaries and Ultra-Strong Coupling Superconductivity in Mirror Symmetric Magic-Angle Trilayer Graphene

Jeong Min Park, Yuan Cao외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 02.

Graphene research and applications인용 수 64

한 줄 요약

이 논문은 거울 대칭 매직 각도 비틀림 삼층 그래핀(MATTG)에서 조정 가능한 위상 경계와 초강력 결합 초전도성을 보여주며, 초전도성이 반 보 특이점에 의해 경계 지워지고 BCS-BEC 근접에 대한 증거를 드러낸다.

ABSTRACT

Moiré superlattices have recently emerged as a novel platform where correlated physics and superconductivity can be studied with unprecedented tunability. Although correlated effects have been observed in several other moiré systems, magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) remains the only one where robust superconductivity has been reproducibly measured. Here we realize a new moiré superconductor, mirror symmetric magic-angle twisted trilayer graphene (MATTG) with dramatically richer tunability in electronic structure and superconducting properties. Hall effect and quantum oscillations measurements as a function of density and electric field allow us to determine the system's tunable phase boundaries in the normal state. Zero magnetic field resistivity measurements then reveal that the existence of superconductivity is intimately connected to the broken symmetry phase emerging from two carriers per moiré unit cell. Strikingly, we find that the superconducting phase gets suppressed and bounded at the van Hove singularities (vHs) partially surrounding the broken-symmetry phase, which is difficult to reconcile with weak-coupling BCS theory. Moreover, the extensive in situ tunability of our system allows us to achieve the ultra-strong coupling regime, characterized by a Ginzburg-Landau coherence length reaching the average inter-particle distance and very large $T_\mathrm{BKT}/T_{F}$ ratios in excess of 0.1, where $T_\mathrm{BKT}$ and $T_F$ are the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition and Fermi temperatures, respectively. These observations suggest that MATTG can be electrically tuned close to the two-dimensional BCS-BEC crossover. Our results establish a new generation of tunable moiré superconductors with the potential to revolutionize our fundamental understanding and the applications of strong coupling superconductivity.

연구 동기 및 목표

• 운반자 밀도와 변위 전계 D의 함수로 MATTG의 전자 위상 다이어그램을 조사한다.
• 적용된 D 아래에서 Dirac 밴드와 플랫 밴드의 공존 및 혼합 특성을 규명한다.
• 초전도성이 어떻게 나타나고 진화하며 반 보 특이점 및 대칭성 파괴 위상에 의해 경계 지어지는지 결정한다.

제안 방법

• θ와 −θ의 꼬임 각을 갖는 거울 대칭 MATTG 소자를 제작하고 hBN으로 캡슐화한다.
• ν와 D의 함수로 정상 상태의 위상 경계를 매핑하기 위해 자기수송 및 홀 효과를 측정하여 매핑한다.
• 영(제로) 자기장 저항, V-I 특성, BKT 분석을 통해 초전도성을 탐침하고 T_BKT를 추출한다.
• Ginzburg-Landau 관계를 사용하여 수직장 데이터의 T_c로부터 코히런스 길이 ξ_GL를 추정한다.
• 양자 진동을 분석하여 화학 퍼텐셜 이동, 유효 질량 m*, Landau 팬 구조를 추출한다.
• 연속체 모델 내의 밴드 구조 계산을 사용하여 평밴드와 디랙 밴드 및 변위 전계 하에서의 하이브리드화를 설명한다。

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변위 전계 D와 모아이 구조 채움 ν에 따라 MATTG의 전자 구조는 어떻게 진화하는가?
• RQ2 MATTG에서 ν=±2 근처의 대칭성 파괴 위상과 초전도성 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 MATTG의 초전도성은 초강력 결합의 징후와 BCS-BEC 근접의 징후를 보이는가?
• RQ4 반 보 특이점이 MATTG의 초전도 위상 경계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 거울 대칭과 Dirac/flat-band 간의 상호 작용이 견고한 초전도성을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• MATTG의 초전도성은 ν=±2 근처에서 발생하며 D에 의해 강하게 조정 가능하고, T_BKT는 약 2.1–2.25 K에 도달한다.
• 일부 매개 변수 영역에서 초전도 영역은 반 보 특이점에 의해 경계 지어지며, 이는 약 결합 BCS 기대에 도전하는 관찰이다.
• Ginzburg-Landau 코히런스 길이는 약 12 nm까지 짧아질 수 있으며 최적 지점 근처에서 입자 간 거리와 가까워져 강한 결합을 시사한다.
• 비율 T_BKT/T_F는 0.1를 넘고 2D BCS-BEC 근접의 0.125 상한에 근접할 수 있어 강한 결합 또는 BCS-BEC 체계에의 근접을 시사한다.
• 조셉슨 유사 Fraunhofer 패턴과 긴 거리 임계 자기장 꼬리는 MATTG에서 견고한 초전도 위상 일관성을 확인한다.
• 양자 진동은 Dirac 및 플랫 밴드 기여를 보여주며 운반자 유형은 ν=±2 상태에 연동된 진화를 보이고, 대형 D에서 vHs가 초전도 영역을 한정한다.