[论文解读] Unconventional topological superconductivity and phase diagram for a two-orbital model of twisted bilayer graphene

Maciej Fidrysiak, M. Zegrodnik+1 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2018

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种扭曲双层石墨烯的两轨道模型，通过强电子关联解释了非传统拓扑超导性，诱导出自旋三重态 $d_{x^2-y^2} + id_{xy}$ 配对。该模型构建了一个相图，展示了电子浓度函数下的莫特绝缘相与超导相，其中在超导区出现拓扑边缘态，与实验观测结果在半定量上一致。

ABSTRACT

We consider the superconducting and Mott-insulating states for the twisted bilayer graphene, modeled by two narrow bands of electrons or holes with appreciable intraatomic Coulomb inter- actions. The interaction induces the kinetic exchange which leads to the real-space, either triplet- or singlet-spin pairing, in direct analogy to heavy-fermions and high-temperature superconductors. We construct explicitly the phase diagram as a function of electron concentration for the spin- triplet $d_{x^2-y^2} + id_{xy}$ paired case, as well as determine the topological edge states. The model reproduces principal features observed experimentally in a semi-quantitative manner. The essential role of electronic correlations in driving both the Mott-insulating and superconducting transitions is emphasized.

研究动机与目标

• 理解扭曲双层石墨烯中非传统超导性的起源，特别是电子关联的作用。
• 在两轨道电子体系中建立莫特绝缘相与超导相之间相互作用的理论模型。
• 确定超导态及其边缘态的拓扑性质。
• 在半定量层面上重现扭曲双层石墨烯的关键实验特征。
• 建立作为电子浓度函数的自旋三重态配对态相图。

提出的方法

• 为具有窄能带和强原子内库仑相互作用的扭曲双层石墨烯构建两轨道模型。
• 从电子关联推导出动能交换相互作用，从而导致实空间中的自旋三重态或单重态配对。
• 构建作为电子浓度函数的 $d_{x^2-y^2} + id_{xy}$ 配对通道的超导相图。
• 通过计算超导相中的边缘态分析其拓扑性质。
• 使用有效哈密顿量技术，将关联电子体系映射为具有非平凡拓扑的超导态。
• 将理论预测与扭曲双层石墨烯中的实验观测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子关联如何驱动扭曲双层石墨烯中莫特绝缘相与超导相的转变？
• RQ2 在扭曲双层石墨烯的两轨道模型中，超导配对对称性的本质是什么？
• RQ3 随着电子浓度的变化，超导相与莫特绝缘相的相图如何演化？
• RQ4 在超导相中出现哪些拓扑边缘态，它们与配对对称性有何关联？
• RQ5 该模型在多大程度上能半定量地重现扭曲双层石墨烯中的实验观测特征？

主要发现

• 该模型重现了扭曲双层石墨烯中莫特绝缘相与超导相的共存，电子浓度是关键调控参数。
• 自旋三重态 $d_{x^2-y^2} + id_{xy}$ 配对由强电子关联产生的动能交换诱导，类似于重费米子与高温超导体。
• 构建了清晰的相图，展示了在不同电子填充下超导态与莫特绝缘态的出现。
• 在超导相中识别出拓扑边缘态，证实了 $d_{x^2-y^2} + id_{xy}$ 配对态的拓扑本质。
• 理论结果与扭曲双层石墨烯中的实验观测表现出半定量的一致性。
• 电子关联在驱动莫特相变与非传统超导配对中起关键作用得到确认。