[논문 리뷰] Tuning electron correlation in magic-angle twisted bilayer graphene using Coulomb screening

Xiaoxue Liu, Zhi Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 24.

Graphene research and applications인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 3 nm의 절연성 장벽으로 분리된 근접한 베르날 이중층 그래핀(BLG) 층으로부터의 쿨롱 스크리닝을 통해 마법의 각도로 얽힌 이중층 그래핀(tBLG)에서 전자 상관관계를 연속적으로 조절함을 보여준다. BLG의 실리콘 농도를 변화시킴으로써 연구자들은 감소된 쿨롱 상호작용이 절연 상태를 약화시키지만 초전도성을 강화함을 보였으며, 이는 tBLG에서 초전도성의 주요 메커니즘이 전자-음향파 결합일 가능성이 있다는 직접적인 실험적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

The ability to control the strength of interaction is essential for studying quantum phenomena emerging from a system of correlated fermions. For example, the isotope effect illustrates the effect of electron-phonon coupling on superconductivity, providing an important experimental support for the BCS theory. In this work, we report a new device geometry where the magic-angle twisted bilayer graphene (tBLG) is placed in close proximity to a Bernal bilayer graphene (BLG) separated by a 3 nm thick barrier. Using charge screening from the Bernal bilayer, the strength of electron-electron Coulomb interaction within the twisted bilayer can be continuously tuned. Transport measurements show that tuning Coulomb screening has opposite effect on the insulating and superconducting states: as Coulomb interaction is weakened by screening, the insulating states become less robust, whereas the stability of superconductivity is enhanced. Out results demonstrate the ability to directly probe the role of Coulomb interaction in magic-angle twisted bilayer graphene. Most importantly, the effect of Coulomb screening points toward electron-phonon coupling as the dominant mechanism for Cooper pair formation, and therefore superconductivity, in magic-angle twisted bilayer graphene.

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 쿨롱 상호작용 강도를 조절함으로써 마법의 각도로 얽힌 이중층 그래핀(tBLG)에서 전자-전자 쿨롱 상호작용의 역할을 직접 탐색하기 위해.
• tBLG에서 초전도성의 기원에 대한 오랫동안 지속된 논란을 해결하기 위해 전자-음향파 결합과 전자 간 전적으로 상호작용하는 메커니즘 간의 차이를 명확히 하기 위해.
• tBLG의 본질적 매개변수를 변화시키지 않고도 연속적이고 현장 내에서 쿨롱 스크리닝을 제어할 수 있는 새로운 하이브리드 双층 장치 기하학을 개발하기 위해.
• 감소된 쿨롱 상호작용에 대한 상관관계 있는 절연 상태와 초전도 상태의 대조적 반응을 조사하기 위해.
• 꼬임 이중층 그래핀에서 초전도성 이론 모델에 대한 직접적인 실험적 제약 조건을 제공하기 위해.

제안 방법

• 마법의 각도로 얽힌 이중층 그래핀(tBLG)과 베르날 이중층 그래핀(BLG)이 3 nm 두께의 헥사곤형 붕소질화물(hBN) 장벽으로 분리된 하이브리드 이중층 헤테로구조를 제작하였다.
• tBLG와 BLG의 실리콘 농도를 독립적으로 제어하기 위해 이중 그래파이트 게이트를 사용하여 쿨롱 스크리닝 강도를 정밀하게 조절하였다.
• BLG에 게이트 전압을 통해 수직 전기장(D)를 인가하여 띠 갭과 절연체/금속 성질을 조절하였다.
• 밀리켈빈 온도(T = 20 mK)에서 종래의 전도도 측정, 종단 저항(Rxx), 미분 전도도(dV/dI), 하울 전도도 측정을 수행하였다.
• 쿨롱 스크리닝은 상관관계 있는 절연 상태(ν = ±2)에서 에너지 갭의 감소와 초전도 임계 온도(Tc)의 증가 측정을 통해 정량화하였다.
• dV/dI 대 전류의 거듭제곱 법칙 피팅을 통해 베레진스키-코스터리츠-투스 전이(Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT) 전이를 확인하였으며, α = 3은 BKT 유형의 초전도 전이임을 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근접한 BLG 층을 통한 쿨롱 스크리닝 조절이 tBLG의 상관관계 있는 절연 상태의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 전자-전자 상호작용 강도를 감소시키면 tBLG에서 초전도성은 증가하는가 아니면 억제되는가?
• RQ3 초전도성 및 절연 상의 관측된 반응이 전자-음향파 결합 메커니즘과 전자 간 전적으로 상호작용하는 메커니즘 간의 차이를 구분할 수 있는가?
• RQ4 ν = -2 근처의 피어미 표면 재구성은 관측된 전도 특성에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 tBLG의 초전도 전이는 BKT 유형인가? 그리고 그 임계 온도는 BLG 실리콘 농도에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• BLG의 스크리닝을 통해 감소된 쿨롱 상호작용은 ν = -2 상관관계 절연체의 에너지 갭을 억제하며, BLG가 절연체에서 금속성으로 전이함에 따라 활성화 에너지가 약 150 mK에서 약 60 mK로 감소한다.
• 초전도 임계 온도(Tc)는 BLG 농도 nBLG = 0일 때 1.38 K에서 nBLG = -0.5×10¹² cm⁻²일 때 1.46 K로 증가하여, 스크리닝 조건에서 초전도 안정성이 향상됨을 나타낸다.
• dV/dI 대 전류의 거듭제곱 법칙 피팅을 통한 분석에서 tBLG의 BKT 전이가 확인되었으며, T ≈ 1.4 K에서 전력 계수 α = 3으로 BKT 이론과 일치한다.
• BLG가 절연체일 때 ν = -2에서 하울 밀도가 0으로 복귀하며, 이는 작은 갭이 있는 피어미 표면을 나타내지만, 이 행동은 쿨롱 스크리닝에 민감하지 않아, 조정 효과의 기원으로 피어미 표면 재구성은 배제된다.
• tBLG의 정상 상태 저항도 T선형 행동을 보이며, Tc 이상에서 기울기는 BLG 실리콘 농도에 민감하지 않아, 관측된 변화가 스크리닝 때문임을 확인하며, 불순물이나 도핑 농도 변동과는 무관함을 증명한다.
• BLG가 절연체에서 금속성으로 조정될 때 ν = 2 절연체의 에너지 갭이 크게 감소함으로써, 스크리닝이 전자 상관관계를 수정하는 데서의 역할을 추가로 확인하였다.