[論文レビュー] Correlated Superconducting and Insulating States in Twisted Trilayer Graphene Moire of Moire Superlattices

Kan-Ting Tsai, Xi Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2019

Graphene research and applications参考文献 24被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、3.06°のねじれ角度を有するねじれ三層グラフェンにおいて、強固な超伝導および相関絶縁体状態を実証した。臨界温度Tc ≈ 3.4 Kで、キャリア密度が約10¹⁰ cm⁻²という極めて低い値に達するが、これは以前に報告された超伝導体よりも顕著に低い。この結果は、超伝導が孤立した平坦バンドではなく、連続的で非孤立なバンドから生じることを示しており、相関電子現象を駆動する要因として、状態密度の特異性よりもフォノンの寄与がより重要である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Layers of two-dimensional materials stacked with a small twist-angle give rise to beating periodic patterns on a scale much larger than the original lattice, referred to as a superlattice. When the stacking involves more than two layers with independent twist angles between adjacent layers it generates of superlattices, with multiple length scales that control the system's behavior. Here, we demonstrate these effects of a high-order moire superlattice in twisted trilayer graphene with the twist angles chosen to be equal, at ~ 3.06 degree. We report superconducting and correlated insulating states near the half filling of the moire of moire superlattice at a carrier density (~ 10^10 cm^-2) significantly lower than any previously-reported superconductor. Moreover, the temperature dependence of the measured resistances at full-occupancy (v = -4 and v = 4) states are semi-metallic, distinct from the insulating behavior of the twisted bilayer systems, providing a first demonstration of emergent superconductivity from single-particle states that correspond to continuous, non-isolated flat-bands. Compared to twisted bilayer graphene (tBLG), we find robust superconductivity with Tc ~ 3.4 K despite the extremely low carrier density. Our findings imply that phonons may play a bigger role than flat bands and singular density of states in bringing about the correlated behavior.

研究の動機と目的

• 等しいねじれ角度を有する三層のグラフェンが形成する高次モアレ超格子における相関電子状態を調査すること。
• 従来の2次元超伝導体とは著しく低いキャリア密度における三層グラフェンの超伝導および絶縁体相を探索すること。
• 超伝導が、特異な平坦バンドではなく、連続的で非孤立な平坦バンドから生じるかどうかを特定すること。
• ねじれ2次元ヘテロ構造における相関電子現象を媒介する要因として、フォノンと電子バンド構造の相対的な重要性を評価すること。

提案手法

• 隣接する層間でねじれ角度が精密に制御されたねじれ三層グラフェンを形成し、モアレのモアレ超格子を構築すること。
• キャリア密度および温度の関数として、電気的輸送特性（抵抗率および臨界温度Tc）を測定すること。
• 完全占有状態の充填因子v = ±4における相関絶縁体状態を特定し、抵抗率が半金属的温度依存性を示すことを確認すること。
• 超伝導および絶縁体特性の違いを評価するため、ねじれ二層グラフェン（tBLG）と輸送特性を比較すること。
• 整数充填状態における抵抗率の温度依存性を分析し、絶縁体的および半金属的挙動を区別すること。
• バックゲーティングによるキャリア密度の調整を用いて、モアレのモアレ超格子の半分充填付近における超伝導ドームおよび相関状態を調査すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の2次元超伝導体よりも著しく低いキャリア密度において、ねじれ三層グラフェンに強固な超伝導が出現しうるか？
• RQ2 完全占有状態の充填（v = ±4）における電子状態は、ねじれ二層グラフェンと比較して、絶縁体的か半金属的か？
• RQ3 この系における超伝導は、孤立した平坦バンドではなく、特異な状態密度を持つ連続的で非孤立なバンドから駆動されているか？
• RQ4 モアレ超格子における相関電子挙動を媒介する要因として、フォノンと電子バンド構造の相対的な重要性は何か？

主な発見

• キャリア密度が約10¹⁰ cm⁻²という極めて低い値であっても、臨界温度Tc ≈ 3.4 Kの強固な超伝導が観測された。これは、以前に報告されたいかなる超伝導体よりも顕著に低い。
• 完全占有状態の充填（v = -4およびv = 4）における相関絶縁体状態は、抵抗率が半金属的温度依存性を示すが、ねじれ二層グラフェンで観察された絶縁体的挙動とは対照的である。
• 超伝導状態は、連続的で非孤立な平坦バンドに対応する単粒子状態から生じており、これは、特異な平坦バンドがこのような現象に不可欠であるという一般的な見解に反する。
• 結果は、相関電子挙動を駆動する要因として、状態密度の特異性や平坦バンドよりもフォノンの寄与がより顕著である可能性を示唆している。
• モアレのモアレ超格子構造により、低キャリア密度において超伝導状態と絶縁体状態の共存が可能となり、強い電子相関効果が顕著であることが示された。