[论文解读] Emergent Superconductivity in the weak Mott insulator phase of bilayer Graphene Moiré Superlattice

Xiao-Chuan Wu, Kelly Ann Pawlak+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2018

Graphene research and applications参考文献 1被引用 20

一句话总结

本文提出，在扭曲双层石墨烯的弱莫特绝缘体相中，由于强电子关联与莫尔超晶格的二维特性相互作用，导致了涌现的超导性。作者基于具有 SU(4) 对称性的三角晶格有效双轨道 Hubbard 模型，并考虑由洪特定律所偏好的自旋三重态配对，表明具有有限动量的自旋密度波序会能隙化费米面，从而形成弱莫特绝缘体；在低温下，由于剩余配对涨落，该绝缘体转变为超导态，转变温度 Tc ≈ 1 K。

ABSTRACT

We propose a phenomenological understanding of the recently discovered weak Mott insulator in the moiré superlattice of twisted bilayer graphene, especially the emergent superconductivity at low temperature within the weak Mott insulator phase, namely while lowering temperature, the longitudinal resistivity first grows below temperature $T_m$, but then rapidly drops to zero at even lower temperature $T_c$. An emergent superconductor in an insulator phase is very unusual. Here we propose that this phenomenon is due to the pure two-dimensional nature of the bilayer graphene moiré superlattice. We also compare our results with other theories proposed so far.

研究动机与目标

• 解释在低温下扭曲双层石墨烯中弱莫特绝缘行为与涌现超导性共存的机制。
• 理解为何在 Tm ≈ 4–5 K 以下电阻率上升，但随后在 Tc ≈ 1 K 以下又降至零，表明在绝缘态中存在超导不稳定性。
• 表明弱莫特绝缘体可通过费米面嵌套和序参量形成来理解，而无需依赖强关联或狄拉克物理。
• 证明系统的二维特性以及通过洪特定律导致的 SU(4) 对称性破缺，可在绝缘相内实现自旋三重态超导不稳定性。

提出的方法

• 在三角晶格上构建一个有效双轨道扩展 Hubbard 模型，以描述莫尔超晶格，其中轨道对应于双层石墨烯中的两个谷态。
• 引入由负洪特定律所偏好的自旋三重态、谷单重配对态，该态稳定了非共线自旋密度波序。
• 使用非线性 σ 模型（NLSM），其目标流形受外加 Zeeman 场的形变，以描述非共线自旋序及其几何演化。
• 将黎曼流形式化应用于 NLSM 的度量，以推导耦合常数 g1 和 g2 的重整化群（RG）流，捕捉 Zeeman 场引起的各向异性效应。
• 在 X_i = 0 点（对应于 Zeeman 场所偏好的有序态）分析 RG 流，以提取临界标度行为及向超导性的不稳定性。
• 将模型预测与实验电阻率数据进行比较，显示在 Tm 以下电阻率上升，而在 Tc 以下降至零，证实了在绝缘相内涌现超导性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在莫特绝缘体相中，超导性如何在扭曲双层石墨烯中涌现，尽管绝缘体通常会抑制超导配对？
• RQ2 为何电阻率在 Tm ≈ 4–5 K 以下上升，但随后在 Tc ≈ 1 K 以下又降至零，表明在绝缘态中存在超导不稳定性？
• RQ3 莫尔超晶格的二维特性在弱莫特绝缘体中实现超导性方面起到何种作用？
• RQ4 自旋三重态配对与通过有限动量序参量实现的费米面嵌套如何共同作用，形成一个稳定绝缘态，同时仍对超导涨落保持敏感？
• RQ5 观测到的电阻率行为是否可由支持涌现超导性的自旋密度波序的非费米液体态来解释？

主要发现

• 扭曲双层石墨烯中弱莫特绝缘体相由自旋三重态、谷单重序所稳定，该序通过嵌套和布里渊区折叠使费米面能隙化。
• 系统在 Tm ≈ 4–5 K 处出现电阻率峰，源于绝缘行为，随后在 Tc ≈ 1 K 处出现急剧下降至零，表明在绝缘相内涌现超导性。
• 超导不稳定性由自旋三重态通道中的剩余配对涨落驱动，即使在自旋密度波序形成后，这些涨落仍保持活跃。
• RG 流分析表明，耦合常数 g1 和 g2 在黎曼流作用下演化，两者在相同能量尺度上对数发散，标志向超导性的量子相变。
• 该模型解释了弱磁场抑制超导性的现象：当超导被抑制时，电阻率在低温下继续增长，证实系统为正常莫特绝缘体。
• 结果对微观细节具有鲁棒性，无需依赖狄拉克能带交叉或特定谷序，而仅依赖费米面物理和通过洪特定律的对称性破缺。