[论文解读] Tuning electron correlation in magic-angle twisted bilayer graphene using Coulomb screening

Xiaoxue Liu, Zhi Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

Graphene research and applications被引用 13

一句话总结

本研究通过在相距3 nm的绝缘势垒另一侧的双层石墨烯（BLG）层实现库仑屏蔽，实现了对魔角扭转双层石墨烯（tBLG）中电子关联的连续调控。通过调节BLG中的载流子密度，研究人员发现，减弱的库仑相互作用会削弱绝缘态，但增强超导性，从而为电子-声子耦合很可能是tBLG中主导超导机制提供了直接实验证据。

ABSTRACT

The ability to control the strength of interaction is essential for studying quantum phenomena emerging from a system of correlated fermions. For example, the isotope effect illustrates the effect of electron-phonon coupling on superconductivity, providing an important experimental support for the BCS theory. In this work, we report a new device geometry where the magic-angle twisted bilayer graphene (tBLG) is placed in close proximity to a Bernal bilayer graphene (BLG) separated by a 3 nm thick barrier. Using charge screening from the Bernal bilayer, the strength of electron-electron Coulomb interaction within the twisted bilayer can be continuously tuned. Transport measurements show that tuning Coulomb screening has opposite effect on the insulating and superconducting states: as Coulomb interaction is weakened by screening, the insulating states become less robust, whereas the stability of superconductivity is enhanced. Out results demonstrate the ability to directly probe the role of Coulomb interaction in magic-angle twisted bilayer graphene. Most importantly, the effect of Coulomb screening points toward electron-phonon coupling as the dominant mechanism for Cooper pair formation, and therefore superconductivity, in magic-angle twisted bilayer graphene.

研究动机与目标

• 通过实验调节其强度，直接探测魔角扭转双层石墨烯（tBLG）中电子-电子库仑相互作用的作用。
• 通过区分电子-声子耦合与全电子机制，解决tBLG中超导起源的长期争议。
• 开发一种新型的异质双层器件结构，实现在不改变tBLG本征参数的前提下，对库仑屏蔽进行连续、原位调控。
• 研究相关绝缘态与超导态对减弱库仑相互作用的对比响应。
• 为扭曲双层石墨烯中超导性的理论模型提供直接的实验约束。

提出的方法

• 制备了一种异质双层结构，其中魔角扭转双层石墨烯（tBLG）与双层石墨烯（BLG）之间由3 nm厚的六方氮化硼（hBN）势垒隔开。
• 使用双层石墨烯栅极独立控制tBLG和BLG中的载流子密度，从而精确调节库仑屏蔽强度。
• 通过栅压在BLG上施加垂直电场（D），以调节其能带隙及绝缘/金属性质。
• 在毫开尔文温度（T = 20 mK）下进行输运测量，包括纵向电阻（Rxx）、微分电导（dV/dI）和霍尔测量。
• 通过测量相关绝缘态（ν = ±2）中能隙的抑制以及超导临界温度（Tc）的增强，量化库仑屏蔽效应。
• 通过dV/dI与电流的幂律拟合识别出贝列津斯基-科斯特利茨-索利斯（Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT）转变，其中α = 3表明为BKT型超导转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过附近BLG层调节库仑屏蔽，如何影响tBLG中相关绝缘态的稳定性？
• RQ2 减弱电子-电子相互作用强度是否增强或抑制tBLG中的超导性？
• RQ3 超导相与绝缘相在屏蔽作用下的响应差异，能否用于区分电子-声子耦合与全电子配对机制？
• RQ4 在ν = -2附近费米面重构对所观测输运特性的影响程度如何？
• RQ5 tBLG中的超导转变是否为BKT类型？其临界温度如何依赖于BLG的载流子密度？

主要发现

• 通过BLG屏蔽减弱库仑相互作用，使ν = -2相关绝缘体的能隙被抑制，其激发能从约150 mK降低至约60 mK，随着BLG从绝缘态转变为金属态。
• 超导临界温度（Tc）从1.38 K（nBLG = 0）提升至1.46 K（nBLG = -0.5×10¹² cm⁻²），表明在屏蔽条件下超导稳定性增强。
• 通过微分电导的幂律拟合确认了tBLG中的BKT转变，T ≈ 1.4 K时幂指数α = 3，与BKT理论一致。
• 当BLG为绝缘态时，ν = -2处的霍尔密度重置为零，表明存在小且带隙的费米面，但该行为对库仑屏蔽不敏感，排除了费米面重构作为调控效应的起源。
• tBLG的正常态电阻率在Tc以上呈现T线性行为，且其斜率对BLG载流子密度不敏感，证实所观察到的变化源于屏蔽效应，而非杂质或掺杂涨落。
• 当BLG从绝缘态调制为金属态时，ν = 2绝缘体的能隙显著被抑制，进一步证实屏蔽在调控电子关联中的作用。