[论文解读] Signatures of Chiral Superconductivity in Rhombohedral Graphene

Tonghang Han, Zhengguang Lu+21 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2024

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究在无莫尔超晶格的菱面体堆叠的四层和五层石墨烯中报告了稳定的非传统超导性，通过自发时间反演对称性破缺、垂直磁场下的电阻磁滞、对平面磁场的免疫性以及高达1.4 T的临界场，展示了手性超导性的特征。这些发现建立了一个纯碳平台，可用于拓扑超导性和马约拉纳费米子研究。

ABSTRACT

Chiral superconductors are unconventional superconducting states that break time reversal symmetry spontaneously and typically feature Cooper pairing at non-zero angular momentum. Such states may host Majorana fermions and provide an important platform for topological physics research and fault-tolerant quantum computing. Despite intensive search and prolonged studies of several candidate systems, chiral superconductivity has remained elusive so far. Here we report the discovery of robust unconventional superconductivity in rhombohedral tetra- and penta-layer graphene in the absence of moiré superlattice effects. We observed two superconducting states in the gate-induced flat conduction bands with Tc up to 300 mK and charge density ne as low as 2.4*1011 cm-2 in three tetralayer and two pentalayer devices. Spontaneous time-reversal-symmetry-breaking (TRSB) due to electron's orbital motion is found, and several observations indicate the chiral nature of these superconducting states, including: 1. In the superconducting state, Rxx shows magnetic hysteresis in varying out-of-plane magnetic field B, which is absent from all other superconductors; 2. the superconducting states are immune to in-plane magnetic field and are developed within a spin- and valley-polarized quarter-metal phase; 3. the normal states show anomalous Hall signals at zero magnetic field and magnetic hysteresis. We also observed a critical B of up to 1.4 Tesla, higher than any graphene superconductivity reported so far and indicates a strong-coupling superconductivity close to the BCS-BEC crossover. Our observations establish a pure carbon material for the study of topological superconductivity, and pave the way to explore Majorana modes and topological quantum computing.

研究动机与目标

• 识别并表征无莫尔超晶格的菱面体多层石墨烯中的非传统超导性。
• 确定所观测到的超导态是否自发破缺时间反演对称性。
• 研究平面能带石墨烯体系中库珀对的的手性特性。
• 探索在碳基平台中实现马约拉纳费米子的可能性。
• 在范德瓦尔斯异质结构中确立接近BCS-BEC交叉区域的强耦合超导态。

提出的方法

• 通过背栅调控菱面体堆叠的四层和五层石墨烯器件，诱导出低载流子密度（ne = 2.4×10¹¹ cm⁻²）的平坦导带。
• 在不同垂直和平面磁场下测量电输运特性，包括纵向电阻Rxx。
• 在正常态检测到异常霍尔信号，并在垂直磁场扫描下观测到Rxx的磁滞行为。
• 分析超导转变温度Tc高达300 mK，以及临界场Bc高达1.4 T。
• 利用自旋和谷极化的四分之一金属相作为手性超导性的前驱态。
• 通过多个器件的输运响应对比，确认时间反演对称性破缺特征的可重复性。

实验结果

研究问题

• RQ1 菱面体多层石墨烯中的超导性是否表现出自发时间反演对称性破缺？
• RQ2 在垂直磁场下，Rxx中观测到的磁滞行为是否表明所观测到的超导态具有手性？
• RQ3 手性超导性是否可能在无莫尔超晶格的纯碳体系中出现？
• RQ4 超导临界场的强度如何？是否表明在接近BCS-BEC交叉区域存在强耦合行为？
• RQ5 超导态对平面磁场具有鲁棒性，是否与手性配对对称性一致？

主要发现

• 在菱面体堆叠的四层和五层石墨烯中观测到两个超导态，Tc高达300 mK，载流子密度低至2.4×10¹¹ cm⁻²。
• 仅在超导态中观测到垂直磁场下的Rxx磁滞行为，表明存在自发时间反演对称性破缺。
• 超导态对平面磁场具有鲁棒性，与手性配对对称性一致。
• 正常态中异常霍尔信号和磁滞行为表明存在预存在的手性态，可能为四分之一金属相。
• 临界磁场高达1.4 T，为石墨烯超导体中报道的最高值，表明在接近BCS-BEC交叉区域存在强耦合行为。
• 无莫尔超晶格的存在证实，手性超导性源于菱面体堆叠中的本征电子关联。