[论文解读] Correlated Insulating States and Transport Signature of Superconductivity in Twisted Trilayer Graphene Moiré of Moiré Superlattices

Kan-Ting Tsai, Xi Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2019

Graphene research and applications参考文献 37被引用 9

一句话总结

本研究探究了具有两个连续小扭转角的扭曲三原子层石墨烯中相关绝缘态与超导特征，形成一种莫尔超晶格的莫尔超晶格结构。在极低载流子密度（~10¹⁰ cm⁻²）下，观察到在高阶莫尔超原胞半满填充附近出现零电阻输运，表明存在二维超导性，同时在完全占据态下表现出半金属特性——这是首次在更高阶莫尔系统中，从连续、非孤立的平坦能带中观测到涌现的相关输运现象的证据。

ABSTRACT

Layers of two-dimensional materials stacked with a small twist-angle give rise to beating periodic patterns on a scale much larger than the original lattice, referred to as a moiré superlattice. When the stacking involves more than two layers with independent twist angles between adjacent layers, it generates moiré of moiré superlattices, with multiple length scales that control the system's behavior. Here we demonstrate these effects of a high-order moiré superlattice in twisted trilayer graphene with two consecutive small twist angles. We report correlated insulating states near the half filling of the moiré of moiré superlattice at an extremely low carrier density (~1010 cm-2), near which we also report a zero-resistance transport behavior typically expected in a 2D superconductor. Moreover, the temperature dependence of the measured resistances at full-occupancy (v = -4 and v = 4) states are semi-metallic, distinct from the insulating behavior of twisted bilayer systems, providing the first demonstration of emergent correlated transport behaviors from continuous, non-isolated higher-order moiré flat bands. Our findings shed new insights into the microscopic mechanisms of moiré correlated states and provide the impetus for future studies on this material platform, such as the demonstration of phase coherence and Meissner-like effect.

研究动机与目标

• 探索具有两个独立扭转角的扭曲三原子层石墨烯中相关电子态的产生机制。
• 研究由莫尔超晶格周期性形成的高阶莫尔超晶格的输运特性。
• 在具有连续、非孤立平坦能带的系统中识别超导性的特征。
• 理解莫尔异质结中电子关联、拓扑与超导性之间的相互作用。

提出的方法

• 制备具有两个连续小扭转角（~1.5° 和 ~1.6°）的扭曲三原子层石墨烯器件，以形成莫尔超晶格的莫尔超晶格结构。
• 测量作为栅压与温度函数的电输运特性（电阻率）。
• 在极低载流子密度（~10¹⁰ cm⁻²）下，识别出在莫尔超晶格的莫尔超原胞半满填充附近的关联绝缘态。
• 分析完全占据态（v = -4 和 v = 4）下的温度依赖电阻率，揭示其表现出与扭曲双层石墨烯中绝缘态不同的半金属性行为。
• 利用理论建模解释高阶莫尔势场中平坦能带与关联态的起源。
• 将输运行为与已知的扭曲双层石墨烯中的关联态进行比较，突出三原子层体系的独特特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有莫尔超晶格的莫尔超晶格结构的扭曲三原子层石墨烯中，其电子态与输运特征是什么？
• RQ2 在高阶莫尔势场中，具有连续、非孤立平坦能带的系统能否出现超导性？
• RQ3 在完全占据态（v = -4 和 v = 4）下，电阻率行为与扭曲双层石墨烯中的行为有何不同？
• RQ4 莫尔超晶格的莫尔超晶格中多重长度尺度在稳定关联绝缘态与超导相中的作用是什么？
• RQ5 基于零电阻输运现象，是否可观察到相位相干性与类似迈斯纳效应的行为？

主要发现

• 在极低载流子密度（~10¹⁰ cm⁻²）下，于莫尔超晶格的莫尔超原胞半满填充附近观察到关联绝缘态。
• 在半满填充态附近检测到零电阻输运行为，表明存在二维超导相。
• 在完全占据态（v = -4 和 v = 4）下，温度依赖电阻率表现出半金属性行为，与扭曲双层石墨烯中的绝缘响应形成鲜明对比。
• 该系统表现出由高阶莫尔势场中连续、非孤立平坦能带所引发的涌现相关输运现象。
• 本工作首次提供了在具有多重长度尺度的莫尔超晶格的莫尔超晶格中，超导性与关联态存在的实验证据。
• 研究结果表明，该体系中可能存在相位相干性与类似迈斯纳效应的行为，为未来研究拓扑序与超导序提供了动力。