[论文解读] Isospin magnetism and spin-triplet superconductivity in Bernal bilayer graphene

Haoxin Zhou, Ludwig Holleis+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2021

Graphene research and applications被引用 8

一句话总结

本研究展示了通过垂直电场调控使双层石墨烯（Bernal bilayer graphene, BBG）进入范霍夫奇点时，诱导出自旋极化超导态。超导态在有限的面内磁场（约150 mT）下出现，超过泡利极限，表明该超导态为自旋三重态配对态，其稳定性源于邻近的同位旋对称性破缺相。

ABSTRACT

We report the observation of spin-polarized superconductivity in Bernal bilayer graphene when doped to a saddle-point van Hove singularity generated by large applied perpendicular electric field. We observe a cascade of electrostatic gate-tuned transitions between electronic phases distinguished by their polarization within the isospin space defined by the combination of the spin and momentum-space valley degrees of freedom. While all of these phases are metallic at zero magnetic field, we observe a transition to a superconducting state at finite $B_\parallel\approx 150$mT applied parallel to the two dimensional sheet. Superconductivity occurs near a symmetry breaking transition, and exists exclusively above the $B_\parallel$-limit expected of a paramagnetic superconductor with the observed $T_C\approx 30$mK, implying a spin-triplet order parameter.

研究动机与目标

• 研究强电场下Bernal双层石墨烯（BBG）中的电子关联效应及其涌现的量子相。
• 确定垂直位移电场诱导的范霍夫奇点附近BBG中超导性的本质。
• 通过探测其在面内磁场下的响应，确定观测到的超导性是自旋单重态还是自旋三重态。
• 确立同位旋对称性破缺在实现结构稳定二维材料中鲁棒超导态中的作用。
• 探索在石墨烯基异质结构中实现高质量、可重复的自旋三重态超导体的可行性。

提出的方法

• 采用双栅、hBN封装的Bernal双层石墨烯器件，通过静电栅压调控载流子密度和层间势垒。
• 施加大垂直电场（最高约1.02 V/nm），诱导能带隙并使系统在nₑ ≈ –0.5×10¹² cm⁻²处达到范霍夫奇点。
• 测量电阻率和非线性dV/dI随载流子密度、磁场（B∥和B⊥）及温度（低至10 mK）的变化。
• 利用磁阻振荡（Rxx(1/B⊥)）的傅里叶变换，绘制费米面拓扑结构并探测对称性破缺态。
• 分析零磁场下非线性电阻的抑制和阈值电流的降低，作为对称性破缺的特征。
• 通过面内磁场调制，将超导的出现与自旋极化的泡利能量阈值相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在范霍夫奇点附近的Bernal双层石墨烯中，超导性是否表现出自旋三重态配对特征？
• RQ2 面内磁场的施加如何影响BBG中超导转变温度和临界场？
• RQ3 同位旋对称性破缺在稳定BBG中超导性中起什么作用？
• RQ4 是否可以在无需亚稳态或缺陷堆叠结构的情况下，在结构稳定的二维材料中诱导出自旋极化超导态？
• RQ5 BBG中的超导态是否超越泡利顺磁极限，这对其配对对称性有何含义？

主要发现

• 当Bernal双层石墨烯被调制至范霍夫奇点时，超导态在B∥ ≈ 150 mT处出现，Tc ≈ 30 mK。
• 临界场超过自旋单重态超导体的泡利极限，表明为自旋三重态配对态。
• 超导相仅存在于预期顺磁极限以上，证实了自旋三重态配对。
• 观察到一系列由栅压调控的同位旋极化相之间的级联相变，对称性破缺先于超导态出现。
• 零磁场下非线性输运和阈值电流的抑制表明，基态为自旋非极化态，但在有限B∥下转变为自旋极化态。
• 超导的出现与零磁场对称性破缺相的破坏精确同步，表明同位旋序与超导性之间存在直接关联。