[논문 리뷰] Spectroscopic Signatures of Strong Correlations and Unconventional Superconductivity in Twisted Trilayer Graphene

Hyunjin Kim, Youngjoon Choi외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 24.

Graphene research and applications인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 마법의 각도로 기울인 삼중층 그래핀(MATTG)에서 강한 전자 상호작용과 비보통 초전도성을 규명하기 위해 고해상도 스캐닝 턨널링 현미경 및 스펙트로스코피를 사용한다. 게이트 전압 조절에 의해 BCS 초전도성에서 BEC 초전도성으로의 전이가 관찰되며, 이는 도핑에 따라 변화하는 응집성 피크와 딤프-햅 구조에 의해 뒷받침되며, 거울 대칭적인 A-tw-A 정렬 구조에서 보스온 모드와의 강한 결합을 시사한다.

ABSTRACT

Magic-angle twisted trilayer graphene (MATTG) has emerged as a novel moiré material that exhibits both strong electronic correlations and unconventional superconductivity. However, spectroscopic studies of its electronic properties are lacking, and the nature of superconductivity and the corresponding order parameter in this system remain elusive. Here we perform high-resolution scanning tunneling microscopy and spectroscopy of MATTG and reveal extensive regions of atomic reconstruction that favor mirror-symmetric stacking. In these regions, we observe a cascade of symmetry-breaking electronic transitions and doping-dependent band structure deformations similar to those realized in magic-angle bilayers, as expected theoretically given the commonality of flat bands. More strikingly, in a density window spanning two to three holes per moire unit cell, spectroscopic signatures of superconductivity are manifest as pronounced dips in the tunneling conductance at the Fermi level accompanied by coherence peaks that become gradually suppressed at elevated temperatures and magnetic fields. The observed evolution of the conductance with doping is consistent with a gate-tunable transition from a gapped to a nodal superconductor, which we show theoretically is compatible with a sharp transition from a Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) to a Bose-Einstein condensation (BEC) superconductor with a nodal order parameter. Within this doping window, we also detect peak-dip-hump structures suggesting that superconductivity is driven by strong coupling to bosonic modes of MATTG. Our results pave the way for further understanding of superconductivity and correlated states in graphene-based moiré structures beyond twisted bilayers, where unconventional superconductivity and nodal pairing were reported.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트로스코피를 사용하여 마법의 각도로 기울인 삼중층 그래핀(MATTG)의 전자적 성질을 조사한다.
• 강한 상관 효과가 관측됨에도 불구하고 여전히 명확하지 않은 MATTG의 초전도성과 오더 파라미터의 성격을 규명한다.
• MATTG의 전자적 거동이 평탄한 밴드와 대칭성 깨짐 전이 측면에서 기울인 이중층 그래핀과 유사한지 탐색한다.
• 원자 재구성과 스트레인 구조가 관련된 상관 및 초전도 상태의 안정화에 미치는 영향을 규명한다.

제안 방법

• 1.5°의 기울기 각을 가진 MATTG 장치에서 고해상도 스캐닝 터널링 현미경(STM) 및 스펙트로스코피(STS)를 수행한다.
• 게이트 전압에 따른 터널링 도전도 dI/dV 측정을 통해 도핑 의존 전자 구조를 분석한다.
• 응집성 피크, 딤프-햅 구조, 갭의 진화를 분석하여 초전도성 쌍성 대칭을 추론한다.
• 정규화된 도전도 데이터에 Dynes 공식을 적용하여 등방성 및 노달 갭 대칭을 구분한다.
• 노달 d-파동 갭을 사용하여 화학적 위치 에너지 변화를 고려한 BEC-BCS 전이에 따른 차분 도전도를 시뮬레이션한다.
• Landau fan도 및 국소 상태 밀도(LDOS)를 사용하여 Landau 수준의 양자화와 초전도 및 상관 상태의 상관관계를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마법의 각도로 기울인 삼중층 그래핀에서 초전도성 오더 파라미터의 성격은 무엇인가?
• RQ2 전기적 도핑에 따라 초전도 갭은 어떻게 변화하며, 이는 쌍성 메커니즘에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 관측된 스펙트로스코픽 특징은 BCS에서 BEC로의 전이를 뒷받침하는가?
• RQ4 피크-디프-햅 구조를 통해 나타나는 보스온 모드의 역할은 무엇인가? 초전도성의 매개 역할은 어떠한가?
• RQ5 원자 재구성이 MATTG의 스트레인 구조와 전자 상관 효과에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 원자 재구성에 의해 유도된 거울 대칭적인 A-tw-A 정렬이 특징적인 삼각형 모양의 모리에 격자로 관측된다.
• 홀 도핑 영역(모리 유닛 세포당 2~3개의 홀)에서 터널링 도전도에 뚜렷한 응집성 피크와 딤프-햅 구조가 나타나 강한 결합 초전도성을 시사한다.
• 온도 및 자기장에 따른 도전도의 변화는 갭 상태에서 노달 초전도체로의 게이트 조절 전이를 나타낸다.
• 데이터는 바르딘-코퍼-슈리퍼(BCS) 초전도성에서 보즈-아인슈타인 응축(BEC) 초전도성으로의 날카운 전이가 일어나며, 이는 노달 오더 파라미터를 포함한다.
• 피크-디프-햅 구조는 보스온 모드와의 강한 결합을 시사하며, 추출된 보스온 모드 에너지는 1.26에서 1.44 meV 범위이다.
• Landau fan도는 전하 중성점과 평탄한 밴드의 정수 채움 상태에서의 Landau 수준 양자화를 보여주며, 상관 상태 존재를 뒷받침한다.