[论文解读] Ascendance of Superconductivity in Magic-Angle Graphene Multilayers

Yiran Zhang, Robert Polski+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2021

Graphene research and applications被引用 12

一句话总结

本研究在单层WSe₂上的魔角扭曲三、四、五层石墨烯异质结中展示了强关联超导性和味极化，揭示了随着层数增加，超导性在填充因子范围内的持续性显著扩展。关键发现是五层体系中超导性延伸至ν = 4以外，表明色散能带与杂化作用在稳定超导态中起着非平凡作用。

ABSTRACT

Graphene moire superlattices have emerged as a platform hosting and abundance of correlated insulating, topological, and superconducting phases. While the origins of strong correlations and non-trivial topology are shown to be directly linked to flat moire bands, the nature and mechanism of superconductivity remain enigmatic. In particular, only alternating twisted stacking geometries of bilayer and trilayer graphene are found to exhibit robust superconductivity manifesting as zero resistance and Fraunhofer interference patterns. Here we demonstrate that magic-angle twisted tri-, quadri-, and pentalayers placed on monolayer tungsten diselenide exhibit flavour polarization and superconductivity. We also observe insulating states in the trilayer and quadrilayer arising at finite electric displacement fields, despite the presence of dispersive bands introduced by additional graphene layers. Moreover, the three multilayer geometries allow us to identify universal features in the family of graphene moire structures arising from the intricate relations between superconducting states, symmetry-breaking transitions, and van Hove singularities. Remarkably, as the number of layers increases, superconductivity emerges over a dramatically enhanced filling-factor range. In particular, in twisted pentalayers, superconductivity extends well beyond the filling of four electrons per moire unit cell, demonstrating the non-trivial role of the additional bands. Our results highlight the importance of the interplay between flat and dispersive bands in extending superconducting regions in graphene moire superlattices and open new frontiers for developing graphene-based superconductors.

研究动机与目标

• 探索在双层和三层系统之外的多层扭曲石墨烯异质结中超导性的出现。
• 研究层间耦合、位移场诱导的能带杂化以及对称性破缺转变在稳定超导态和绝缘态中的作用。
• 通过比较具有不同能带平坦度和色散特性的三层、四层和五层体系，识别石墨烯莫尔超晶格中的普遍特征。
• 确定平坦能带与色散能带之间的相互作用如何在填充因子空间中扩展超导穹形区域。

提出的方法

• 在单层WSe₂上制备了交替堆叠的魔角扭曲三、四、五层石墨烯异质结，扭转角接近理论预测的魔角（1.52°、1.80°、1.82°）。
• 施加可调的电位移场（D）以调控层间杂化，诱导平坦TBG类与MLG类能带之间的混合。
• 在低温（1.5 K）和高磁场条件下，测量霍尔电阻（Rxy）和纵向电阻（Rxx）随填充因子（ν）和位移场（D）的变化。
• 采用非相互作用连续体模型计算能带结构，并从色散性TBG类能带中识别范霍夫奇点（vHs）。
• 通过电阻峰和霍尔载流子浓度重置分析，检测对称性破缺相变和莫特绝缘态。
• 采用类似哈特ree-福克的近似方法和介电屏蔽模型，评估电子关联效应与多层系统中电荷分布不均在其中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在魔角扭曲多层石墨烯中，随着石墨烯层数的增加，超导性的范围和稳定性如何变化？
• RQ2 色散能带与层间杂化在将超导穹形扩展至扭曲双层石墨烯中观察到的狭窄ν = 2–3范围之外中起什么作用？
• RQ3 在非平坦能带体系中，能否稳定味极化和莫特绝缘态，其行为如何依赖于位移场？
• RQ4 在不同石墨烯多层异质结构中，超导性、对称性破缺与范霍夫奇点之间的相互作用遵循何种普遍规律？

主要发现

• 在三、四、五层扭曲石墨烯中均观察到强关联超导性，且在五层体系中，超导穹形显著延伸至ν = 4以外，表明填充因子范围显著扩展。
• 在有限位移场D下，三层层石墨烯中首次观测到ν ≈ +2附近的未见Mott绝缘态，归因于关联驱动的级联相变与杂化效应。
• 在四层层石墨烯中，电荷中性点处的绝缘态可完全由D诱导的能带杂化解释，无需强关联效应。
• 霍尔载流子浓度测量显示，在ν ≈ +4和ν ≈ +6处出现一致的符号变化，表明所有多层体系中色散性TBG类能带均存在范霍夫奇点。
• 非相互作用能带结构计算证实，在五层和四层体系中ν ≈ +6处存在范霍夫奇点，与实验霍尔数据一致。
• 理论建模表明，哈特ree-福克近似中的级联解可使平坦能带子系统填充更高，表明电子关联在稳定多层体系中超导性中起关键作用。