[论文解读] Large Pauli Limit Violation and Reentrant Superconductivity in Magic-Angle Twisted Trilayer Graphene

Yuan Cao, Jeong Min Park+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Graphene research and applications被引用 15

一句话总结

本研究展示了显著的泡利极限违背——在面内磁场超过10 T时仍存在超导性，这在自旋单重态配对的预期之外。观察到的再入超导性和在整个穹顶区域的鲁棒超导性表明，其配对机制并非自旋单重态，而很可能是由强关联和谷-自旋锁定驱动的自旋三重态配对，挑战了二维关联体系中传统BCS理论。

ABSTRACT

Moiré quantum matter has emerged as a novel materials platform where correlated and topological phases can be explored with unprecedented control. Among them, magic-angle systems constructed from two or three layers of graphene have shown robust superconducting phases with unconventional characteristics. However, direct evidence for unconventional pairing remains to be experimentally demonstrated. Here, we show that magic-angle twisted trilayer graphene (MATTG) exhibits superconductivity up to in-plane magnetic fields in excess of 10 T, which represents a large ($2\sim3$ times) violation of the Pauli limit for conventional spin-singlet superconductors. This observation is surprising for a system which is not expected to have strong spin-orbit coupling. Furthermore, the Pauli limit violation is observed over the entire superconducting phase, indicating that it is not related to a possible pseudogap phase with large superconducting amplitude pairing. More strikingly, we observe reentrant superconductivity at large magnetic fields, which is present in a narrower range of carrier density and displacement field. These findings suggest that the superconductivity in MATTG is likely driven by a mechanism resulting in non-spin-singlet Cooper pairs, where the external magnetic field can cause transitions between phases with potentially different order parameters. Our results showcase the richness of moiré superconductivity and may pave a new route towards designing next-generation exotic quantum matter.

研究动机与目标

• 研究在高面内磁场下魔角扭曲双层石墨烯（MATTG）中超导性的自旋构型。
• 确定观测到的超导性是否违背泡利极限，这是自旋单重态超导体的标志性特征。
• 探讨再入超导性的起源及其在莫尔量子材料中配对对称性的影响。
• 排除FFLO态或强耦合效应作为泡利极限违背主导原因的可能性。
• 寻找MATTG中自旋三重态或非幺正配对态的证据，可能与谷-自旋锁定有关。

提出的方法

• 在具有上下栅极控制载流子密度和位移场的MATTG器件中，执行低温四探针量子输运测量。
• 施加最高达10 T的面内磁场，以探测上临界场行为和泡利极限违背。
• 在B–T（磁场–温度）平面中绘制超导相图，并分析临界电阻和电压-电流曲线。
• 使用BKT（贝雷津-科斯特利茨-索利斯）转变分析识别超导相及其刚度。
• 将实验数据与自旋单重态与自旋三重态配对的理论模型进行比较，包括轨道配对破坏效应和谷自由度的影响。
• 分析在整个掺杂和磁场范围内超导相的演化，以区分再入行为与相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 MATTG中的超导性是否能在泡利极限之外持续存在，表明其为非传统配对？
• RQ2 在缺乏强自旋-轨道耦合的体系中，为何出现远超预期（2–3倍）的泡利极限违背？
• RQ3 为何再入超导性仅在载流子密度和位移场的狭窄范围内被观测到？
• RQ4 该行为能否由FFLO态或强耦合效应等传统机制解释？
• RQ5 MATTG中的超导配对是否可能为自旋三重态，谷-自旋锁定在稳定高场相中起何种作用？

主要发现

• MATTG中的超导性在面内磁场超过10 T时仍能持续，这表示其泡利极限违背程度达到常规自旋单重态超导体的2–3倍。
• 泡利极限违背在整个超导穹顶区域均被观测到，排除了与赝能隙或非均匀相有关的解释。
• 在高磁场下观察到再入超导性，其范围局限于载流子密度和位移场的狭窄区间，表明可能存在一级相变。
• 临界场行为在Tc以下呈现二次B–T依赖关系，表明高场超导态即使在有限温度下仍能持续，这与FFLO态不一致。
• 大尺度泡利极限违背和再入行为无法用强耦合BCS或FFLO机制解释，暗示存在非自旋单重态配对机制。
• 数据支持自旋三重态或非幺正配对态的存在，可能涉及谷-自旋锁定序，低场相（SC-I）与高场相（SC-II）具有不同的序参量。