[논문 리뷰] Unconventional topological superconductivity and phase diagram for a two-orbital model of twisted bilayer graphene

Maciej Fidrysiak, M. Zegrodnik외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 03.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강한 전자 상호작용을 통해 스핀 트리플렛 $d_{x^2-y^2} + id_{xy}$ 쌍성(pairing)을 유도하는 두 오비탈 모델을 제안하여 비보편적인 위상적 초전도성을 설명한다. 전자 농도 함수로서의 상도도를 구성하여 모터-절연체 및 초전도체 상이 나타나는 것을 보여주며, 초전도체 영역에서 위상적 표면 상태가 나타나며 실험 관측 결과와 준정량적으로 일치한다.

ABSTRACT

We consider the superconducting and Mott-insulating states for the twisted bilayer graphene, modeled by two narrow bands of electrons or holes with appreciable intraatomic Coulomb inter- actions. The interaction induces the kinetic exchange which leads to the real-space, either triplet- or singlet-spin pairing, in direct analogy to heavy-fermions and high-temperature superconductors. We construct explicitly the phase diagram as a function of electron concentration for the spin- triplet $d_{x^2-y^2} + id_{xy}$ paired case, as well as determine the topological edge states. The model reproduces principal features observed experimentally in a semi-quantitative manner. The essential role of electronic correlations in driving both the Mott-insulating and superconducting transitions is emphasized.

연구 동기 및 목표

• 비보편적인 초전도성의 기원, 특히 전자 상호작용의 역할을 이해하기 위해.
• 두 오비탈 전자 시스템에서 모터-절연체와 초전도체 상의 상호작용을 모델링하기 위해.
• 초전도 상태의 위상적 성질과 그 표면 상태를 규명하기 위해.
• 준정량적으로 비틀린 이중층 그래핀의 주요 실험적 특성을 재현하기 위해.
• 스핀 트리플렛 쌍성 상태에 대한 전자 농도 함수로 된 상도도를 수립하기 위해.

제안 방법

• 窄band(좁은 밴드)와 강한 원자 내 쿨롱 상호작용을 고려한 비틀린 이중층 그래핀의 두 오비탈 모델을 수립하기 위해.
• 전자 상호작용으로부터 운동에너지 교환 상호작용을 유도하여 실공간에서 스핀 트리플렛 또는 싱เก트렛 쌍성으로 이어지게 하기 위해.
• 전자 농도 함수에 따라 $d_{x^2-y^2} + id_{xy}$ 쌍성 채널의 초전도체 상도도를 구성하기 위해.
• 초전도체 상에서 표면 상태를 계산하여 위상적 성질을 분석하기 위해.
• 효과적 해밀토니안 기법을 사용하여 상호작용 전자 시스템을 비정상 위상성을 가진 초전도 상태로 매핑하기 위해.
• 이론적 예측을 비틀린 이중층 그래핀의 실험 관측 결과와 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 전자 상호작용은 비틀린 이중층 그래핀에서 모터-절연체와 초전도 전이를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 비틀린 이중층 그래핀의 두 오비탈 모델에서 초전도 쌍성 대칭의 성질은 무엇인가?
• RQ3 전자 농도 변화에 따라 초전도체 및 모터-절연체 상의 상도도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 초전도체 상에서 어떤 위상적 표면 상태가 나타나며, 이는 쌍성 대칭과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 이 모델은 비틀린 이중층 그래핀에서 실험적으로 관측된 특징을 어느 정도 준정량적으로 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 전자 농도를 핵심 조절 매개변수로 삼아 비틀린 이중층 그래핀에서 모터-절연체와 초전도체 상이 공존하는 것을 재현한다.
• 강한 전자 상호작용으로부터 유도된 운동에너지 교환으로 스핀 트리플렛 $d_{x^2-y^2} + id_{xy}$ 쌍성이 발생하며, 이는 헤비 페르미온 및 고온 초전도체와 유사하다.
• 다양한 전자 충전도에서 초전도체와 모터-절연체 상태가 나타나는 명확한 상도도를 구성하였다.
• 초전도체 상에서 위상적 표면 상태가 확인되어 $d_{x^2-y^2} + id_{xy}$ 쌍성 상태의 위상적 성질을 확인하였다.
• 이론적 결과는 비틀린 이중층 그래핀의 실험 관측 결과와 준정량적으로 일치한다.
• 전자 상호작용이 모터 전이와 비보편적 초전도 쌍성의 형성에 핵심적인 역할을 한다는 것이 확인되었다.