[论文解读] Observation of superconductivity with Tc onset at 12K in electrically tunable twisted double bilayer graphene

Cheng Shen, Na Li+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2019

Graphene research and applications被引用 26

一句话总结

本研究展示了在扭曲双栅双层石墨烯中实现电场可调的超导性，其超导转变温度起始点为12 K。通过施加位移场，研究人员调节了该体系中的平坦能带，观察到在半满填充时出现关联绝缘态，并通过g因子约为2的证据揭示了自旋极化，表明该平台在研究量子多体现象方面具有高度可调性。

ABSTRACT

Electron-electron interactions play an important role in graphene and related systems and can induce exotic quantum states, especially in a stacked bilayer with a small twist angle. For bilayer graphene where the two layers are twisted by a magic angle, flat band and strong many-body effects lead to correlated insulating states and superconductivity. In contrast to monolayer graphene, the band structure of untwisted bilayer graphene can be further tuned by a displacement field, providing an extra degree of freedom to control the flat band that should appear when two bilayers are stacked on top of each other. Here, we report the discovery and characterization of such displacement-field tunable electronic phases in twisted double bilayer graphene. We observe insulating states at a half-filled conduction band in an intermediate range of displacement fields. Furthermore, the resistance gap in the correlated insulator increases with respect to the in-plane magnetic fields and we find that the g factor according to spin Zeeman effect is ~2, indicating spin polarization at half filling. These results establish the twisted double bilayer graphene as an easily tunable platform for exploring quantum many-body states.

研究动机与目标

• 探索具有可调平坦能带的扭曲双栅双层石墨烯中的量子多体态。
• 研究电子-电子相互作用在诱导关联绝缘相和超导相中的作用。
• 确定外加位移场如何影响电子结构及关联态的出现。
• 通过平面内磁场依赖性表征绝缘态的自旋极化特性。
• 确立扭曲双栅双层石墨烯作为研究关联电子物理的高度可调平台。

提出的方法

• 通过控制双层之间的扭转角，制备扭曲双栅双层石墨烯异质结构。
• 通过顶栅和背栅施加位移场，调节能带结构并诱导平坦能带。
• 在不同位移场和磁场条件下，测量电输运特性，包括电阻率和霍尔效应。
• 利用平面内磁场探测自旋极化，通过塞曼效应提取g因子。
• 分析磁质下电阻能隙的演化，以推断绝缘态的性质。
• 将半满能带填充与绝缘相和超导相的出现相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过电位移场在扭曲双栅双层石墨烯中诱导并调控超导性？
• RQ2 施加位移场如何影响平坦能带的形成及关联绝缘态的产生？
• RQ3 通过平面内磁场响应揭示的半满填充时绝缘态的自旋极化特性是什么？
• RQ4 绝缘态中的g因子值是多少，其对自旋塞曼分裂意味着什么？
• RQ5 在平面内磁场作用下，关联绝缘体的电阻能隙如何演化？

主要发现

• 在电场调控下，扭曲双栅双层石墨烯中观察到超导转变温度起始点为12 K的超导性。
• 在位移场的中间范围内，导带半满填充时出现关联绝缘态。
• 绝缘体的电阻能隙随平面内磁场增强而增大，表明能量分裂增强。
• 通过塞曼分裂提取的g因子约为2，表明在半满填充时存在强自旋极化。
• 通过位移场可实现平坦能带的可调性，从而实现对关联电子相的调控。
• 扭曲双栅双层石墨烯支持丰富的关联态相图，包括超导性和自旋极化绝缘体。