[논문 리뷰] Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene

Jiangxiazi Lin, Phum Siriviboon외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 15.

Graphene research and applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 시간역행 대칭성의 위반을 통해 궤도 분극화를 통한 외부 자석장이 없는 소작각도 삼중층 그래핀(tTLG)에서 내재된 영자장 초전도 다이오드 효과를 입증한다. 이 효과는 유한운동량 코플러 쌍성과 비대칭 초전도성에 기인하며, 전하 운반자 농도, 비틀림 각도 및 자장 훈련을 통해 제어 가능한 비상호적 임계전류를 유도한다.

ABSTRACT

The critical current of a superconductor can be different for opposite directions of current flow when both time-reversal and inversion symmetry are broken. %When time-reversal and inversion symmetry are simultaneously broken, the critical current of a 2D superconductor is expected to depend on the directions of current flow. Such nonreciprocal behavior in superconducting transport, which creates a superconducting diode, has recently been demonstrated experimentally by breaking these symmetries with an applied magnetic field \cite{Ando2020diodes} or by construction of a magnetic tunnel junction \cite{Diez2021magnetic}. Here we report an intrinsic superconducting diode effect which is present at zero external magnetic field in mirror symmetric twisted trilayer graphene (tTLG). Such nonreciprocal behavior, with sign that can be reversed through training with an out-of-plane magnetic field, provides direct evidence of the microscopic coexistence between superconductivity and time-reversal symmetry breaking. In addition to the magnetic-field trainability, we show that the zero-field diode effect can be controlled by varying carrier density or twist angle. In accordance with these experimental controls, a natural interpretation for the origin of the intrinsic diode effect is an imbalance in valley occupation of the underlying Fermi surface, which likely leads to finite-momentum Cooper pairing and nematicity in the superconducting phase.

연구 동기 및 목표

• 외부 자석장을 필요로 하지 않는 삼중층 그래핀에서 초전도 다이오드 효과를 입증하는 것.
• 거울 대칭성을 갖는 비틀림 각도가 작은 삼중층 그래핀에서 비상호적 초전류의 기원을 조사하는 것.
• 궤도 분극화와 시간역행 대칭성 위반의 역할이 유한운동량 코플러 쌍성 유도에 어떻게 기여하는지 탐색하는 것.
• 전하 운반자 농도, 비틀림 각도 및 자장 훈련을 통해 다이오드 효과를 제어할 수 있도록 하는 것.
• 소작각도가 작은 tTLG에서 내재된 비대칭 초전도성에 대한 증거를 제공하는 것.

제안 방법

• 이중 게이트 배게이트 및 상부 게이트 구조를 갖춘 휴 suspended 소작각도 삼중층 그래핀 장치를 제작하였다.
• 20 mK에서 저온 전도도 측정(Rxx, dV/dI)을 수행하여 초전도성 및 다이오드 행동을 탐색하였다.
• 다이오드 효과를 훈련하고 시간역행 대칭성을 위반하기 위해 외부 자기장(수직 방향)을 적용하였다.
• 모리어 필링, 전하 운반자 농도(게이트 전압에 의해 제어), 자장에 따른 저항을 맵핑하여 비상호적 임계전류를 식별하였다.
• 비대칭성과 공간적 이방성을 탐지하기 위해 미분 저항 및 홀 저항 측정을 수행하였다.
• 큰 직류 전류를 통한 '훈련 해제'를 수행하여 다이오드 효과의 비가역성과 자장 유도 성질을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자석장이 없는 삼중층 그래핀에서 초전도 다이오드 효과가 나타날 수 있는가?
• RQ2 거울 대칭성을 갖는 비틀림 각도가 작은 tTLG에서 비상호적 초전류의 미세 구조적 기원은 무엇인가?
• RQ3 궤도 분극화가 어떻게 유한운동량 코플러 쌍성과 시간역행 대칭성 위반을 유도하는가?
• RQ4 전하 운반자 농도 또는 비틀림 각도를 조절하여 다이오드 효과를 제어할 수 있는가?
• RQ5 자장 훈련이 비상호적 초전도 상태의 안정화에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• B=0에서 소작각도가 작은 삼중층 그래핀에서 강력한 영자장 초전도 다이오드 효과가 관측되었으며, 임계전류 비대칭성 Ic+ ≠ Ic− 가 나타났다.
• 다이오드 효과는 자장 훈련을 통해 가역적이다: 양의 B장 적용으로 시스템이 한 방향의 전류 흐름을 선호하도록 훈련된다.
• 비상호적 임계전류 ΔIc는 νtTLG ≈ 2.14 및 D = -573 mV/nm에서 최대 10 nA에 도달했으며, 전하 운반자 농도 스윕에서 명확한 히스테리시스가 관측되었다.
• 큰 직류 전류를 통한 '훈련 해제' 후 다이오드 효과가 사라지며, 이는 비가역적이고 자장에 의해 유도된 성질임을 확인한다.
• 다이오드 효과는 전하 운반자 농도와 비틀림 각도에 의해 조절 가능하며, νtTLG ≈ 2.14 근처에서 최대 비대칭성이 관측되었다.
• 홀 저항 Rxy는 특정 필링 인자에서 Tc 이하에서 급격한 전이를 보이며, 다이오드 상태와 관련된 공간적 이방성의 징후를 나타낸다.