[论文解读] Correlated Insulating and Superconducting States in Twisted Bilayer Graphene Below the Magic Angle

Emilio Codecido, Qiyue Wang+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2019

Graphene research and applications被引用 7

一句话总结

本研究报告在扭曲角约为0.93°的扭曲双层石墨烯（tBLG）中观测到超导态与莫特型绝缘态。该扭曲角略低于约1.1°的魔角。研究人员在每个莫尔元胞±5个电子处识别出一个相关绝缘态，其激发能隙约为0.1 meV，而在每个元胞±12个电子处观测到超导性，表明魔角区域的范围超出以往假设的极限，并为tBLG中强关联现象提供了新见解。

ABSTRACT

The emergence of flat bands and correlated behaviors in 'magic angle' twisted bilayer graphene (tBLG) has sparked tremendous interest, though many aspects of the system are under intense debate. Here we report observation of both superconductivity and the Mott-like insulating state in a tBLG device with a twist angle of approximately 0.93, which is smaller than the magic angle by 15%. At an electron concentration of +/-5 electrons per moire unit cell, we observe a narrow resistance peak with an activation energy gap of approximately 0.1 meV, indicating the existence of an additional correlated insulating state. This is consistent with theory predicting the presence of a high-energy band with an energetically flat dispersion. At a doping of +/-12 electrons per moire unit cell we observe a resistance peak due to the presence of Dirac points in the spectrum. Our results reveal that the magic range of tBLG is in fact larger than what is previously expected, and provide a wealth of new information to help decipher the strongly correlated phenomena observed in tBLG.

研究动机与目标

• 研究在略低于魔角的扭曲双层石墨烯（tBLG）中相关电子态的出现。
• 在具有可控电子掺杂的tBLG器件中识别并表征绝缘态与超导态。
• 探讨平带与高能带在支持tBLG中强关联现象中的作用。
• 将tBLG中“魔角”区域的已知范围扩展至传统1.1°阈值以下。

提出的方法

• 通过透射电子显微镜和电学测量确认，制备了扭曲角精确约为0.93°的扭曲双层石墨烯器件。
• 采用双栅电学背栅调控，将每个莫尔元胞的电子浓度从-12至+12个电子进行调节。
• 测量电阻随温度和栅压的变化，以探测绝缘态与超导转变。
• 通过分析电阻峰与激活能隙，识别莫特型绝缘态与超导行为。
• 将实验数据与tBLG中平带及高能色散带的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在略低于魔角的tBLG中，特别是在0.93°时，是否会出现相关绝缘态？
• RQ2 在每个莫尔元胞±12个电子的掺杂水平下，观测到的超导态具有何种性质？
• RQ3 具有平坦色散的高能带如何影响tBLG中相关相的出现？
• RQ4 “魔角”区域在多大程度上可扩展至传统1.1°阈值以下？
• RQ5 所观测到的绝缘态与超导态能否由平带与强电子关联的理论模型加以解释？

主要发现

• 在每个莫尔元胞±5个电子处观测到一个狭窄的电阻峰，其激活能隙约为0.1 meV，表明存在莫特型绝缘态。
• 在每个莫尔元胞±12个电子处检测到超导性，其电阻峰特征与关联体系中的库珀对配对一致。
• 相关绝缘态在0.93°的扭曲角下依然存在，该角度比传统的魔角约1.1°低15%，表明魔角区域被显著扩展。
• 具有平坦色散的高能带的存在与观测到的绝缘行为一致，支持了理论预测。
• 该体系展现出丰富的相图，包含明显的绝缘态与超导态，表明其强电子关联性超越了标准狄拉克锥图像。
• 结果表明，tBLG中的魔角区域比以往认为的更宽广，对理解强关联电子系统具有重要意义。