[论文解读] Evidence for Flat Band Dirac Superconductor Originating from Quantum Geometry

Haidong Tian, Shi Che+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究为扭曲双层石墨烯中的平坦能带狄拉克超导体提供了实验证据，其中超低费米速度（~1000 m/s）和量子几何效应主导了超导性。超流刚度由相互作用驱动的能隙决定，而非动能，表明存在一种新颖的量子几何起源的超导性，Tc/TF > 1，标志强耦合BCS-BEC交叉物理行为。

ABSTRACT

In a flat band superconductor, the charge carriers' group velocity vF is extremely slow, quenching their kinetic energy. The emergence of superconductivity thus appears paradoxical, as conventional BCS theory implies a vanishing coherence length, superfluid stiffness, and critical current. Here, using twisted bilayer graphene (tBLG), we explore the profound effect of vanishingly small vF in a Dirac superconducting flat band system Using Schwinger-limited non-linear transport studies, we demonstrate an extremely slow vF ~ 1000 m/s for filling fraction nu between -1/2 and -3/4 of the moire superlattice. In the superconducting state, the same velocity limit constitutes a new limiting mechanism for the critical current, analogous to a relativistic superfluid. Importantly, our measurement of superfluid stiffness, which controls the superconductor's electrodynamic response, shows that it is not dominated by the kinetic energy, but instead by the interaction-driven superconducting gap, consistent with recent theories on a quantum geometric contribution. We find evidence for small pairs, characteristic of the BCS to Bose-Einstein condensation (BEC) crossover, with an unprecedented ratio of the superconducting transition temperature to the Fermi temperature exceeding unity, and discuss how this arises for very strong coupling superconductivity in ultra-flat Dirac bands.

研究动机与目标

• 研究扭曲双层石墨烯中费米速度趋近于零的平坦能带系统中的超导性。
• 确定此类系统中超流刚度是否由动能主导，或由相互作用驱动的能隙主导。
• 探究量子几何在动能被抑制的条件下如何促进超导性。
• 研究在BCS-BEC交叉区域中，超导对的性质，特别是超导对的特征。

提出的方法

• 在填充因子ν介于-1/2至-3/4之间时，通过施温格极限非线性输运测量，探测扭曲双层石墨烯中的临界电流和费米速度。
• 测量温度和磁场依赖的超流刚度，以评估电磁响应特性。
• 分析超导转变温度（Tc）与费米温度（TF）的比值，以识别BCS-BEC交叉行为。
• 使用量子几何理论，解释平坦能带系统中偏离传统BCS预期的偏差。
• 将实验结果与近期预测量子几何对超导序参量贡献的理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在动能被抑制的平坦能带狄拉克超导体中，超流刚度的起源是什么？
• RQ2 扭曲双层石墨烯中的费米速度在超导态中如何影响临界电流？
• RQ3 在超平坦狄拉克能带中，Tc/TF比值在多大程度上超过1，表明强耦合超导性？
• RQ4 量子几何效应能否解释尽管群速度极小，超导性仍能持续存在的现象？
• RQ5 有哪些证据支持该体系中BCS-BEC交叉区域存在小尺寸库珀对？

主要发现

• 在超导态中测得的费米速度约为1000 m/s，显著低于传统超导体中的值。
• 超流刚度并非由动能主导，而是由相互作用驱动的超导能隙主导，支持其具有量子几何起源。
• 超导转变温度与费米温度之比（Tc/TF）超过1，表明在BCS-BEC交叉区域存在强耦合超导性。
• 临界电流受类似施温格机制的限制，类似于相对论性超流体，这是由于费米速度极低所致。
• 实验结果与近期理论一致，表明即使在动能可忽略的情况下，量子几何仍可驱动平坦能带中的超导性。