[論文レビュー] Tunable Phase Boundaries and Ultra-Strong Coupling Superconductivity in Mirror Symmetric Magic-Angle Trilayer Graphene

Jeong Min Park, Yuan Cao+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Graphene research and applications被引用数 64

ひとこと要約

この論文は、鏡像対称のマジックアングルねじれ三層グラフェン（MATTG）における調整可能な相境界と超強結合超伝導を実証し、超伝導性が van Hove 奇点によって制約され、BCS–BEC クロスオーバー近傍の証拠が示される。

ABSTRACT

Moiré superlattices have recently emerged as a novel platform where correlated physics and superconductivity can be studied with unprecedented tunability. Although correlated effects have been observed in several other moiré systems, magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) remains the only one where robust superconductivity has been reproducibly measured. Here we realize a new moiré superconductor, mirror symmetric magic-angle twisted trilayer graphene (MATTG) with dramatically richer tunability in electronic structure and superconducting properties. Hall effect and quantum oscillations measurements as a function of density and electric field allow us to determine the system's tunable phase boundaries in the normal state. Zero magnetic field resistivity measurements then reveal that the existence of superconductivity is intimately connected to the broken symmetry phase emerging from two carriers per moiré unit cell. Strikingly, we find that the superconducting phase gets suppressed and bounded at the van Hove singularities (vHs) partially surrounding the broken-symmetry phase, which is difficult to reconcile with weak-coupling BCS theory. Moreover, the extensive in situ tunability of our system allows us to achieve the ultra-strong coupling regime, characterized by a Ginzburg-Landau coherence length reaching the average inter-particle distance and very large $T_\mathrm{BKT}/T_{F}$ ratios in excess of 0.1, where $T_\mathrm{BKT}$ and $T_F$ are the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition and Fermi temperatures, respectively. These observations suggest that MATTG can be electrically tuned close to the two-dimensional BCS-BEC crossover. Our results establish a new generation of tunable moiré superconductors with the potential to revolutionize our fundamental understanding and the applications of strong coupling superconductivity.

研究の動機と目的

• MATTG のキャリア密度と変位場 D に対する電子相図の調査。
• 適用される D の下で Dirac バンドとフラットバンドが共存・混合する様子の特徴づけ。
• van Hove 奇点と対称性崩壊相によって、超伝導性がどのように現れ、進化し、制約されるかを決定。

提案手法

• twist angles θ および −θ を持つ鏡像対称の MATTG デバイスを作製し、hBN で挟持する。
• 正規状態の相境界を ν と D の関数として写像するために磁気輸送・ホール効果を測定する。
• 零磁場抵抗、V-I特性、BKT解析を用いて超伝導性を探り、T_BKT を抽出する。
• Ginzburg–Landau 関係を用いて perpendicular field データから T_c と関連づけて相関長 ξ_GL を推定する。
• 量子振動を解析して化学ポテンシャルシフト、有効質量 m*、Landau ファン構造を取り出す。
• ディスプレースメント場の下でのフラットバンドと Dirac バンドの分布と混成を示す、連続体モデル内の帯構造計算を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D およびモアリエ填充 ν に対して MATTG 電子構造はどのように進化するのか？
• RQ2 ν=±2 周辺の破れた対称相と超伝導性の関係はどのようになるのか？
• RQ3 MATTG の超伝導性は超強結合と BC S–BEC クロスオーバー近傍の兆候を示すのか？
• RQ4 van Hove 奇点は MATTG の超伝導相境界にどのような影響を与えるのか？
• RQ5 鏡像対称性と Dirac/フラットバンドの相互作用が、頑健な超伝導性を可能にする役割は何か？

主な発見

• MATTG の超伝導性は ν=±2 の近傍で発生し、D によって強く調整可能で、T_BKT は約 2.1–2.25 K に達する。
• 超伝導領域は一部のパラメータ領域で van Hove 奇点によって界されることがあり、弱結合BCS の予想に異議を唱える観測である。
• Ginzburg–Landau の相関長は約 12 nm まで短くなり、最適点付近では粒子間距離に近づき、強結合を示唆する。
• T_BKT/T_F の比は 0.1 を超え、2D の BC S–BEC クロスオーバーの上限 0.125 に近づくことがあり、強結合域または BCS–BEC レジームへの接近を示唆する。
• Josephson ライン様の Fraunhofer パターンと長距離臨界磁場の尾部は、MATTG における頑健な超伝導相の位相整合を裏付ける。
• 量子振動は Dirac およびフラットバンドの寄与を示し、 ν=±2 状態に結びつくキャリア種の進化を示す； vHs が大きな D の領域で超伝導領域を界づける。