[論文レビュー] Tuning electron correlation in magic-angle twisted bilayer graphene using Coulomb screening

Xiaoxue Liu, Zhi Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

Graphene research and applications被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、3 nmの絶縁性バリアで分離された隣接するベーナールバイレイヤーグラフェン（BLG）層からのクーロン遮蔽を用いて、魔法の角度でねじれた二層グラフェン（tBLG）における電子相関の連続的チューニングを実証した。BLG内のキャリア密度を変化させることで、弱まったクーロン相互作用が絶縁状態を弱めるが、超伝導性を強化することが示され、tBLGにおける超伝導性の駆動要因として電子-フォノン結合が支配的であることを直接的な実験的証拠として得た。

ABSTRACT

The ability to control the strength of interaction is essential for studying quantum phenomena emerging from a system of correlated fermions. For example, the isotope effect illustrates the effect of electron-phonon coupling on superconductivity, providing an important experimental support for the BCS theory. In this work, we report a new device geometry where the magic-angle twisted bilayer graphene (tBLG) is placed in close proximity to a Bernal bilayer graphene (BLG) separated by a 3 nm thick barrier. Using charge screening from the Bernal bilayer, the strength of electron-electron Coulomb interaction within the twisted bilayer can be continuously tuned. Transport measurements show that tuning Coulomb screening has opposite effect on the insulating and superconducting states: as Coulomb interaction is weakened by screening, the insulating states become less robust, whereas the stability of superconductivity is enhanced. Out results demonstrate the ability to directly probe the role of Coulomb interaction in magic-angle twisted bilayer graphene. Most importantly, the effect of Coulomb screening points toward electron-phonon coupling as the dominant mechanism for Cooper pair formation, and therefore superconductivity, in magic-angle twisted bilayer graphene.

研究の動機と目的

• 実験的にクーロン相互作用の強さをチューニングすることで、魔法の角度でねじれた二層グラフェン（tBLG）における電子-電子クーロン相互作用の役割を直接的に調査すること。
• tBLGにおける超伝導性の起源について長年の論争を解決するため、電子-フォノン結合と完全に電子的メカニズムの違いを明確にすること。
• tBLGの固有パラメータを変更せずに、連続的かつインサイトでクーロン遮蔽を制御可能な新しいハイブリッド二層デバイス構造を開発すること。
• 電子相関状態と超伝導状態がクーロン相互作用の低下にどのように反応するかを比較・検討すること。
• ねじれた二層グラフェンにおける超伝導性の理論的モデルに直接的な実験的制約を与えること。

提案手法

• 魔法の角度でねじれた二層グラフェン（tBLG）とベーナール二層グラフェン（BLG）を3 nmの六方晶窒化硼（hBN）バリアで分離して、ハイブリッド二層ヘテロ構造を形成した。
• tBLGおよびBLGのキャリア密度を独立して制御できる二重グラファイトゲートを用い、クーロン遮蔽強度を精密にチューニングした。
• BLGにゲート電圧を印けることで垂直方向の電場（D）を印け、バンドギャップおよび絶縁体/金属的性質をチューニングした。
• ミリケルビン温度（T = 20 mK）で、縦方向抵抗（Rxx）、微分コンダクタンス（dV/dI）、ホール測定を含む輸送測定を実施した。
• クーロン遮蔽の定量的評価は、相関絶縁状態（ν = ±2）におけるエネルギーギャップの抑制と、超伝導臨界温度（Tc）の増大を測定することで行った。
• 微分コンダクタンスの電流依存性をべき乗則フィッティングすることで、ベレジンスキー＝コスターリッツ＝トゥース（BKT）遷移を同定し、α = 3がBKT型超伝導遷移を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 隣接するBLG層からのクーロン遮蔽をチューニングすることで、tBLGにおける相関絶縁状態の安定性はどのように変化するか？
• RQ2 電子-電子相互作用の強さを低下させることで、tBLGにおける超伝導性は強化されるか、あるいは抑制されるか？
• RQ3 超伝導相と絶縁相の遮蔽に対する観察された応答は、電子-フォノン結合と完全に電子的ペアリング機構を区別できるか？
• RQ4 ν = -2近傍でのフェルミ面再構成は、観測された輸送特性にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 tBLGにおける超伝導遷移はBKT型であるか？また、その臨界温度はBLGのキャリア密度にどのように依存するか？

主な発見

• BLGによるクーロン相互作用の低減により、ν = -2の相関絶縁体のエネルギーギャップが抑制され、BLGが絶縁体から金属的へと遷移するに従い、活性化エネルギーが約150 mKから約60 mKに低下した。
• 超伝導臨界温度（Tc）は、nBLG = 0のとき1.38 Kから、nBLG = -0.5×10¹² cm⁻²のとき1.46 Kに増加し、遮蔽下で超伝導安定性が向上していることが示された。
• 微分コンダクタンスのべき乗則フィッティングにより、tBLGにおけるBKT遷移が確認され、T ≈ 1.4 Kで係数α = 3が得られ、BKT理論と整合的であった。
• BLGが絶縁体状態にあるとき、ν = -2におけるホール密度はゼロにリセットされ、小さなギャップを持つフェルミ面を示したが、この挙動はクーロン遮蔽に依存しなかったため、チューニング効果の原因としてフェルミ面再構成を除外した。
• tBLGの常態抵抗率はTcより高い温度でT線形性を示し、その勾配はBLGキャリア密度に依存しなかった。これにより、観測された変化は遮蔽によるものであり、不純物やドーピングフラクチュエーションによるものではないことが確認された。
• BLGが絶縁体状態から金属的状態にチューニングされる際、ν = 2の絶縁体のエネルギーギャップが顕著に抑制された。これにより、遮蔽が電子相関を変化させることの役割がさらに裏付けられた。