[论文解读] Crossover between Strongly-coupled and Weakly-coupled Exciton Superfluids

Xiaomeng Liu, J. I. A. Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 39被引用 8

一句话总结

本研究首次在磁场下的石墨烯双层体系中实验实现了BCS-BEC交叉。通过调节层间距离和磁场，研究人员连续调控了磁激子的配对强度，观测到从弱耦合BCS型到强耦合BEC型超流性的平滑过渡，Coulomb拖拽和反向流电阻测量中均显示出清晰的特征。

ABSTRACT

In fermionic systems, superconductivity and superfluidity are enabled through the condensation of fermion pairs. The nature of this condensate can be tuned by varying the pairing strength, with weak coupling yielding a BCS-like condensate and strong coupling resulting in a BEC-like process. However, demonstration of this cross-over has remained elusive in electronic systems. Here we study graphene double-layers separated by an atomically thin insulator. Under applied magnetic field, electrons and holes couple across the barrier to form bound magneto-excitons whose pairing strength can be continuously tuned by varying the effective layer separation. Using temperature-dependent Coulomb drag and counter-flow current measurements, we demonstrate the capability to tune the magneto-exciton condensate through the entire weak-coupling to strong-coupling phase diagram. Our results establish magneto-exciton condensates in graphene as a model platform to study the crossover between two Bosonic quantum condensate phases in a solid state system.

研究动机与目标

• 在固态电子体系中实验演示BCS-BEC交叉。
• 克服电子超导体中连续调节配对强度的长期挑战。
• 建立具有原子尺度绝缘势垒的石墨烯双层异质结构，作为研究玻色子凝聚量子相变的可调平台。
• 测量并表征跨越交叉区域的超导转变温度$T_c$和配对温度$T_{pair}$。
• 通过温度依赖的Coulomb拖拽和反向流输运测量，探究激子凝聚的性质。

提出的方法

• 利用石墨烯双层结构，中间由原子级薄的六方氮化硼（hBN）势垒分隔，形成可调的量子霍尔双层体系。
• 施加垂直磁场以形成朗道能级，通过跨越势垒的电子-空穴配对形成磁激子。
• 改变有效层间距离$d$和磁场$B$，连续调节配对相互作用强度$U$相对于费米能$E_F$的比值。
• 测量温度依赖的Coulomb拖拽电阻和反向流电阻，以探测超流相变和配对形成过程。
• 以$d/\tau_B$作为控制参数，绘制从弱耦合到强耦合的相图，其中$\ell_B$为磁长度。
• 通过分析反向流电阻的温度导数，利用数据中独特的特征识别$T_c$（超流转变）和$T_{pair}$（配对形成）温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在具有连续调节配对强度的固态电子体系中实验实现BCS-BEC交叉？
• RQ2 当耦合强度从弱到强调节时，超流转变温度$T_c$和配对温度$T_{pair}$如何演化？
• RQ3 在磁激子超流中，BCS型和BEC型区域的输运特征有何区别？
• RQ4 系统是否表现出从弱耦合到强耦合的连续交叉，还是存在突变的相变？
• RQ5 是否能通过该体系中的输运测量探测相刚度和拓扑激发（如单极子）？

主要发现

• 超流转变温度$T_c$随$d/\ell_B$增加而单调减小，表明从强耦合到弱耦合的平滑演化。
• 配对温度$T_{pair}$（定义为霍尔拖拽电阻降至其量子化值一半的点）随$d/\ell_B$增加而减小，与配对强度降低一致。
• 在3.7 nm器件中，低温和高磁场下观察到微分反向流电阻中的清晰临界电流行为，标志超流性的开始。
• 在较低磁场（如13 T）下，临界电流的缺失表明系统处于更无序或弱化的超流态，与弱耦合区域一致。
• 相图揭示了三个不同区域：区域I（凝聚的超流态）、区域II（正常激子）、区域III（自由电子和空穴），其边界由$T_c$和$T_{pair}$明确定义。
• 该体系表现出从BCS型到BEC型行为的连续交叉，未发现一阶相变的证据，证实了理论预测的固态平台中平滑交叉。