[논문 리뷰] Twist-Programmable Superconductivity in Spin-Orbit Coupled Bilayer Graphene

Yiran Zhang, Gal Shavit외 9명|arXiv (Cornell University)|2024. 08. 19.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 모리 주기성 격자 없이 스핀-오비트 결합을 가진 이중층 그래핀에서 상대적 톱니 각도를 조절함으로써 비틀기 프로그래밍 가능한 초전도성을 입증한다. 텅스텐 디셀레나이드(WSe₂)와 그래핀 사이의 상대적 비틀기 각도를 조절함으로써 유도된 이징 스핀-오비트 결합(SOC) 강도를 제어한다. SOC가 증가함에 따라 초전도성은 더 높은 이송 전계에서 나타나며 최대 0.5 K의 임계 온도에 도달한다. 이는 면내 자기장에 대한 뛰어난 내구성과 삼각형으로 비틀어진 페르미 표면 포켓 간의 비정상적 정공 재분포에 대한 증거를 포함한다.

ABSTRACT

The relative twist angle between layers of near-lattice-matched van der Waals materials is critical for the emergent correlated phenomena associated with moire flat bands. However, the concept of angle rotation control is not exclusive to moiré superlattices in which electrons directly experience a twist-angle-dependent periodic potential. Instead, it can also be employed to induce programmable symmetry-breaking perturbations with the goal of stabilizing desired correlated states. Here, we experimentally demonstrate `moireless' twist-tuning of superconductivity together with other correlated orders in Bernal bilayer graphene proximitized by tungsten diselenide. The alignment between the two materials systematically controls the strength of the induced Ising spin-orbit coupling (SOC), profoundly altering the phase diagram. As Ising SOC is increased, superconductivity onsets at a higher displacement field and features a higher critical temperature, reaching up to 0.5K. Within the main superconducting dome and in the strong Ising SOC limit, we find an unusual phase transition characterized by a nematic redistribution of holes among trigonally warped Fermi pockets and enhanced resilience to in-plane magnetic fields. The behavior of the superconducting phase is well captured by our theoretical model, which emphasizes the role of interband interactions between Fermi pockets arising due to interaction-enhanced symmetry breaking. Moreover, we identify two additional superconducting regions, one of which descends from an inter-valley coherent normal state and exhibits a Pauli-limit violation ratio exceeding 40, among the highest for all known superconductors. Our results provide new insights into ultra-clean graphene-based superconductors and underscore the potential of utilizing moireless-twist engineering across a range of van der Waals heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 모리 주기성 격자에 의존하지 않고 이중층 그래핀(BLG)에서 스핀-오비트 결합(SOC)이 초전도성과 관련된 상태를 어떻게 조절하는지 탐구하는 것.
• BLG와 WSe₂ 사이의 상대적 비틀기 각도가 이징 SOC 강도를 정밀하게 조절할 수 있음을 실험적으로 입증하는 것.
• 유도된 SOC가 초전도 상도도, 임계 온도, 자기장 내구성, 페르미 표면 재구성 등의 초전도 상도도에 어떻게 영향을 주는지 조사하는 것.
• 초전도 상도도 중에서 극도의 폴리우스 한계 위반을 보이는 다수의 초전도 상도도를 식별하고 특성화하는 것.
• 반데르발스 헤테로구조에서 초순수하고 매우 조절 가능한 초전도체를 위한 모리 주기성 없이 비틀기 제어하는 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 6° 간격으로 고정된 WSe₂ 기판에 대해 이중층 그래핀 플레이크를 기계적으로 분리하고 순차적으로 비틀어 BLG-WSe₂ 이종접합을 제작하였다.
• 고해상도 쇼비니코프-데 하아스 진동을 사용하여 페르미 표면의 이방성과 이징 SOC로 인한 정공 포켓 불균형 정도를 측정하였다.
• 강한 이송 전계(D ≈ 0.2 V/nm)를 적용하여 WSe₂에 인접한 층으로 정공 웨이브패킷을 극도로 극성화함으로써 이징 SOC를 최대화하였다.
• BCS-Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS) 프레임워크에 스핀-오비트 결합과 증거된 자장 결합을 통합한 이론 모델을 사용하여 면내 자기장에 의한 Tc 억제를 기술하였다.
• Tc(B) = Tc,0 − αB² 의존성에서 계수 α를 계산하여 자기장 내구성을 분석하였으며, 이는 상간 상호작용과 대칭성 파괴 효과를 포함하였다.
• 자기장 하에서 비정상적 페르미 표면 재구성의 원리를 검증하기 위해 자기 일관성 있는 하트리-폭 계산을 수행하여 '집단 행동' 모델의 타당성을 시험하였다.

Figure 1: Programmable Ising SOC by interfacial twisting between BLG and WSe 2 . a , Schematic showing the twisting of the BLG-WSe 2 interface; tuning the interfacial twist angle $\theta$ between the two largely lattice-mismatched materials modifies the Ising SOC strength $|\lambda_{I}|$ and the cor

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모리 주기성 격자가 없는 조건에서 BLG와 WSe₂ 사이의 상대적 비틀기 각도가 유도된 이징 스핀-오비트 결합 강도를 어떻게 제어하는가?
• RQ2 이징 SOC가 증가함에 따라 BLG의 초전도성 발생 전계와 임계 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 강화된 이징 SOC가 삼각형으로 비틀어진 페르미 표면 포켓 간의 정공 재분포를 포함하는 비정상적 상전이를 유도하는가?
• RQ4 초전도 상태는 강한 면내 자기장에서도 유지될 수 있으며, 그 뛰어난 내구성의 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 초전도 상도도 중 하나에서 폴리우스 한계 위반 비율이 40를 초월하는 것은 무엇을 의미하며, 이는 상간 협동성과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 이징 스핀-오비트 결합을 비틀기 각도 조절을 통해 강화함으로써 초전도성의 임계 온도가 최대 0.5 K까지 증가한다.
• 이징 SOC가 증가할수록 초전도성이 더 높은 이송 전계에서 나타나며, 이는 스핀-오비트 결합이 초전도성에 강력한 안정화 효과를 미친다는 것을 시사한다.
• 주요 초전도 도메인 내에서 비정상적 상전이가 관측되며, 이는 세 개의 삼각형으로 비틀어진 페르미 표면 포켓 간의 정공 재분포로 특징지어진다.
• 초전도 상태는 면내 자기장에 대해 뛰어난 내구성을 보이며, Tc(B) = Tc,0 − αB² 의존성과 일치하며 α ≈ 0.1 K/T²로 나타난다.
• 이중 초전도 영역이 추가로 확인되었으며, 이는 상간 협동성 있는 정상 상태에서 유래하며 폴리우스 한계 위반 비율이 40를 초월한다 — 이는 어떤 초전도체보다도 높은 비율로 보고된 바 있다.
• 이론적 모델링은 상호작용에 의해 증폭된 대칭성 파괴로 인한 상간 상호작용이 관측된 상도도도와 자기장 내구성을 설명하는 데 필수적임을 확인한다.

Figure 2: Twist-programmable superconducting phase diagram. a – d , $R_{xx}$ versus doping density $n$ and displacement field $D$ for devices with Ising strength $|\lambda_{I}|\approx 0.4$ meV ( a ), $0.9$ meV ( b ), $1.4$ meV ( c ), and $1.5$ meV ( d ), respectively. e , Optimal superconducting cri