[论文解读] Correlated Superconducting and Insulating States in Twisted Trilayer Graphene Moire of Moire Superlattices

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

Graphene research and applications参考文献 24被引用 13

一句话总结

本研究在扭转角为3.06°的扭曲三原子层石墨烯中展示了强关联超导态与关联绝缘态，其临界温度Tc ≈ 3.4 K，载流子密度低至~10¹⁰ cm⁻²，远低于以往超导体的水平。研究结果表明，超导态源于连续的非简并能带，而非孤立的平坦能带，暗示声子在驱动关联电子现象中的作用可能比态密度奇点更为关键。

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 superlattice. When the stacking involves more than two layers with independent twist angles between adjacent layers it generates of superlattices, with multiple length scales that control the system's behavior. Here, we demonstrate these effects of a high-order moire superlattice in twisted trilayer graphene with the twist angles chosen to be equal, at ~ 3.06 degree. We report superconducting and correlated insulating states near the half filling of the moire of moire superlattice at a carrier density (~ 10^10 cm^-2) significantly lower than any previously-reported 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 the twisted bilayer systems, providing a first demonstration of emergent superconductivity from single-particle states that correspond to continuous, non-isolated flat-bands. Compared to twisted bilayer graphene (tBLG), we find robust superconductivity with Tc ~ 3.4 K despite the extremely low carrier density. Our findings imply that phonons may play a bigger role than flat bands and singular density of states in bringing about the correlated behavior.

研究动机与目标

• 研究由三个扭转角相等的石墨烯层形成的高阶莫尔超晶格中的关联电子态。
• 探索三原子层石墨烯在远低于以往二维超导体的载流子密度下的超导与绝缘相。
• 确定超导态是否可从连续的非孤立平坦能带中产生，而非源于孤立的平坦能带。
• 评估声子与电子能带结构在扭曲二维异质结中调控关联电子现象的相对重要性。

提出的方法

• 通过精确控制相邻层间扭转角（~3.06°）制备扭曲三原子层石墨烯，形成莫尔-莫尔超晶格结构。
• 测量电阻率与临界温度（Tc）随载流子密度和温度变化的电输运特性。
• 在填充因子v = ±4的完全占据填充点识别出关联绝缘态，其电阻率表现出半金属温度依赖性。
• 与扭曲双层石墨烯（tBLG）的输运行为进行对比，评估超导与绝缘特性差异。
• 分析电阻率的温度依赖性，以区分整数填充点处的绝缘与半金属性行为。
• 通过背栅调控载流子密度，探测莫尔-莫尔超晶格半满填充附近的超导穹顶与关联态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在载流子密度显著低于以往二维超导体的条件下，扭曲三原子层石墨烯能否实现强关联超导态？
• RQ2 在完全占据填充点（v = ±4）附近的电子态行为如何——与扭曲双层石墨烯相比，是绝缘态还是半金属性？
• RQ3 该体系中的超导态是否由孤立平坦能带驱动，还是由具有奇异态密度的连续非孤立能带驱动？
• RQ4 在莫尔超晶格中，声子与电子能带结构在调控关联电子行为中的相对重要性如何？

主要发现

• 在载流子密度低至~10¹⁰ cm⁻²的极端条件下，观察到临界温度Tc ≈ 3.4 K的强关联超导态，远低于任何先前报道的超导体。
• 在完全占据填充点（v = -4 和 v = 4）的关联绝缘态表现出电阻率的半金属性温度依赖性，与扭曲双层石墨烯中观察到的绝缘行为形成鲜明对比。
• 超导态源自对应于连续非孤立平坦能带的单粒子态，挑战了“孤立平坦能带对这类现象至关重要”的主流观点。
• 结果表明，在扭曲二维材料中，声子在驱动关联电子行为中的作用可能比奇异态密度或平坦能带更为关键。
• 莫尔-莫尔超晶格结构使低载流子密度下超导态与绝缘态共存，表明存在强烈的电子关联效应。