[论文解读] Enhanced Superconductivity in Spin-Orbit Proximitized Bernal Bilayer Graphene

Yiran Zhang|arXiv (Cornell University)|May 10, 2022

Graphene research and applications被引用 3

一句话总结

本研究证明，将双层石墨烯（BLG）邻近耦合至单层WSe2可诱导强自旋-轨道耦合，从而实现鲁棒的零场超导态，其临界温度Tc提升一个数量级（最高达300 mK），且超导穹顶宽度是本征BLG的八倍。该效应仅在垂直电场将BLG空穴波函数推向WSe2时出现，表明Ising自旋-轨道耦合在自旋-谷极化的正常态中对增强库珀对形成至关重要。

ABSTRACT

#Data for Enhanced Superconductivity in Spin-Orbit Proximitized Bernal Bilayer Graphene. This dataset contains the experimental data from the following paper: Yiran Zhang, Robert Polski, Alex Thomson, Etienne Lantagne-Hurtubise, Cyprian Lewandowski, Haoxin Zhou, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jason Alicea, and Stevan Nadj-Perge, "Enhanced Superconductivity in Spin-Orbit Proximitized Bernal Bilayer Graphene", see also ArXiv: 2205.05087 Excel files are processed experimental data for Fig.1 to Fig.4 in the main text, please refer to Fig1.xlsx to Fig4.xlsx. Within each excel file, the spreadsheet name is the physical quantity of the corresponding panel, together with the unit. Refer to BLGWSe2.ipynb for code and data analysis.

研究动机与目标

• 研究邻近诱导的自旋-轨道耦合如何改变Bernal堆叠双层石墨烯（BLG）中的超导性。
• 确定Ising自旋-轨道耦合在稳定BLG中鲁棒的零场超导性中的作用。
• 绘制BLG-WSe2异质结中自旋-谷极化、电子关联与超导配对之间的相互作用。
• 理解面内磁场测量中观测到的泡利极限违反的起源。

提出的方法

• 采用机械剥离与范德华堆叠技术制备BLG-WSe2异质结。
• 测量纵向电阻Rxx随载流子浓度和垂直电位移场D的变化，以绘制相图。
• 开展量子振荡测量，以识别自旋-谷味极化与费米面拓扑结构。
• 进行面内磁场扫查，以探测泡利极限违反并提取临界场Bc∥。
• 使用理论建模拟掺杂依赖的泡利极限违反，包括Rashba自旋-轨道耦合、轨道效应及Ising自旋-轨道耦合。
• 采用现象学拟合gRkF与˜gorb，以解释泡利极限违反的强掺杂依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与本征或hBN封装的BLG相比，WSe2邻近效应如何增强双层石墨烯中的超导性？
• RQ2 Ising自旋-轨道耦合在实现BLG-WSe2中零场超导性中扮演何种角色？
• RQ3 为何BLG-WSe2中的超导穹顶显著宽于其他BLG体系？
• RQ4 面内磁场中强烈的掺杂依赖性泡利极限违反由何引起？
• RQ5 正常态中的电子关联与自旋-谷极化如何影响配对机制？

主要发现

• 在BLG-WSe2中，零磁场下出现超导态，其临界温度Tc提升一个数量级，达到约300 mK。
• 超导穹顶覆盖的载流子密度范围约为hBN封装BLG的八倍，表明具有高度可调且鲁棒的超导态。
• 仅当垂直电场将空穴波函数推向WSe2层时，超导相才出现，表明邻近诱导的Ising自旋-轨道耦合起关键作用。
• 面内磁场测量显示，在高浓度空穴掺杂下出现尖锐的泡利极限违反，而在低掺杂时该极限近似成立。
• 量子振荡数据证实，超导性出现在一种正常态中，其中四个自旋-谷味中的两个被极化，与自旋-谷极化的费米面一致。
• 理论拟合表明，观测到的泡利极限违反可由Rashba自旋-轨道耦合或轨道破坏效应的强掺杂依赖性解释，提示自旋-谷极化相中存在显著的电子关联效应。