[논문 리뷰] Spontaneous vortex-antivortex lattice in superconducting twisted bilayer graphene

Ying Su, Shi‐Zeng Lin|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 05.

Graphene research and applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 이중 빈티지 그래핀에서 초전도성 쌍성대 대칭을 초전도성 쌍성대 대칭을 연구하기 위해 최대 모리 주위의 보골리우브-드 게인스 방정식을 사용한다. 이는 근처 이웃의 스핀 싱글렛 쌍성대 상호작용을 포함한다. 연구는 시간역행 대칭을 깨는 $d+id$ 및 $p+ip$ 상에서 비틀림에 의해 유도된 자발적 바이오르트-반바이오르트 격자 구조를 밝혀내며, 이는 비균일한 순서 매개변수를 유도하지만 균일한 국소 상태 밀도를 유지함을 시사한다. 이는 효과 모델에서 장거리 쌍성대 상호작용이 필수적임을 강조한다.

ABSTRACT

We study the superconducting pairing symmetry in twisted bilayer graphene by solving the Bogoliubov-de Gennes equation for all electrons in Moir\'{e} supercell with a nearest neighbor spin singlet Cooper pairing. With increasing the pairing potential, the system evolves from the mixed non-topological $d+id$ and $p+ip$ phase to the $s+p+d$ phase via the first order phase transition. In the time-reversal symmetry breaking $d+id$ and $p+ip$ phase, vortices and antivortices accompanying spontaneous supercurrent are induced by the twist. The superconducting order parameter is nonuniform in the Moir\'{e} unit cell. Nevertheless, the superconducting gap in the local density of states is identical in the unit cell. The twist induced vortices and non-topological nature of the mixed $d+id$ and $p+ip$ phase are not captured by the existing effective models. Our results suggest the importance of long-range pairing interaction for effective models.

연구 동기 및 목표

• 효과 모델을 넘어서 이중 빈티지 그래핀에서 초전도성 쌍성대 대칭을 조사하기 위해.
• 비틀림에 의해 유도되는 효과가 비정상적인 초전도상태를 안정화하는 데 기여하는 바를 이해하기 위해.
• 장거리 쌍성대 상호작용이 바이오르트-반바이오르트 격자 형성에 필수적인지 판단하기 위해.
• 비위치적 초전도상태를 기술하는 데 있어 효과 모델과 밀도함수이론 기반 시뮬레이션 간의 모순을 해결하기 위해.

제안 방법

• 모리 초세포 내 모든 전자에 대해 보골리우브-드 게인스 방정식을 해결하기 위해.
• 근처 이웃의 스핀 싱글렛 코플러 쌍성대 상호작용을 구현하기 위해.
• 다양한 초전도상으로의 진화를 쌍성대 잠재력 증가에 따라 분석하기 위해.
• 대칭성 파괴를 통해 자발적 초전류 및 바이오르트-반바이오르트 격자 형성의 발생 추적하기 위해.
• 모리 단위세포 전역에서 국소 상태 밀도와 순서 매개변수 분포 비교하기 위해.
• 첫 번째 계급 전이인 $d+id$/$p+ip$ 상과 $s+p+d$ 상 사이의 전이 식별하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 빈티지 그래핀에서 비틀림이 초전도상에서 자발적 바이오르트-반바이오르트 격자 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 모리 주기성과 강한 상관관계가 존재하는 조건에서 초전도성 쌍성대 대칭의 성격은 무엇인가?
• RQ3 기존 효과 모델이 비틀림에 의해 유도된 바이오르트-반바이오르트 격자와 비균일한 순서 매개변수를 포착하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 모리 단위세포 내에서 비균일한 초전도성 순서 매개변수가 존재함에도 불구하고 국소 상태 밀도가 왜 균일하게 유지되는가?
• RQ5 장거리 쌍성대 상호작용은 관측된 비위치적 초전도상태를 안정화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 쌍성대 잠재력 증가에 따라 혼합된 $d+id$ 및 $p+ip$ 상에서 $s+p+d$ 상으로의 첫 번째 계급 전이가 발생한다.
• $d+id$ 및 $p+ip$ 상에서는 시간역행 대칭을 깨는 원인과 비틀림에 의해 유도된 초전류로 인해 자발적 바이오르트-반바이오르트 격자 형성이 발생한다.
• 초전도성 순서 매개변수는 모리 단위세포 내에서 공간적으로 비균일하며, 강한 세포 내 조절을 나타낸다.
• 비균일한 순서 매개변수에도 불구하고 국소 상태 밀도는 모리 단위세포 전역에서 동일한 스펙트럼 특성을 보인다.
• 비틀림에 의해 유도된 바이오르트-반바이오르트 격자와 $d+id$/$p+ip$ 상의 비위치적 성격은 현재 효과 모델에서 포착되지 않는다.
• 결과적으로 장거리 쌍성대 상호작용이 이중 빈티지 그래핀에서 초전도상태를 정확히 모델링하는 데 필수적임을 시사한다.