[论文解读] Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene

Jiangxiazi Lin, Phum Siriviboon+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

Graphene research and applications被引用 8

一句话总结

本研究在无外加磁场的条件下，通过谷极化实现时间反演对称性破缺，在小扭转角三原子层石墨烯（tTLG）中展示了内在的零场超导二极管效应。该效应源于有限动量的库珀对成对和向列超导性，其非互惠临界电流可通过载流子密度、扭转角和磁场训练实现调控。

ABSTRACT

The critical current of a superconductor can be different for opposite directions of current flow when both time-reversal and inversion symmetry are broken. %When time-reversal and inversion symmetry are simultaneously broken, the critical current of a 2D superconductor is expected to depend on the directions of current flow. Such nonreciprocal behavior in superconducting transport, which creates a superconducting diode, has recently been demonstrated experimentally by breaking these symmetries with an applied magnetic field \cite{Ando2020diodes} or by construction of a magnetic tunnel junction \cite{Diez2021magnetic}. Here we report an intrinsic superconducting diode effect which is present at zero external magnetic field in mirror symmetric twisted trilayer graphene (tTLG). Such nonreciprocal behavior, with sign that can be reversed through training with an out-of-plane magnetic field, provides direct evidence of the microscopic coexistence between superconductivity and time-reversal symmetry breaking. In addition to the magnetic-field trainability, we show that the zero-field diode effect can be controlled by varying carrier density or twist angle. In accordance with these experimental controls, a natural interpretation for the origin of the intrinsic diode effect is an imbalance in valley occupation of the underlying Fermi surface, which likely leads to finite-momentum Cooper pairing and nematicity in the superconducting phase.

研究动机与目标

• 在无需外加磁场的条件下，展示三原子层石墨烯中的超导二极管效应。
• 研究镜像对称扭转三原子层石墨烯中非互惠超电流的起源。
• 探讨谷极化与时间反演对称性破缺在诱导有限动量库珀对成对中的作用。
• 通过载流子密度、扭转角和磁场训练实现对二极管效应的调控。
• 为小扭转角tTLG中内在的向列超导性提供证据。

提出的方法

• 制备了具有背栅和顶栅双门结构的悬挂式小扭转角三原子层石墨烯器件。
• 在20 mK的低温下进行输运测量（Rxx，dV/dI），以探测超导与二极管行为。
• 施加垂直磁场以训练二极管效应并诱导时间反演对称性破缺。
• 绘制电阻随莫尔填充因子、载流子密度（通过栅压调节）和磁场的变化关系，以识别非互惠临界电流。
• 通过微分电阻和霍尔电阻测量检测向列性与空间各向异性的特征。
• 通过大直流电流“去训练”以逆转二极管效应，确认其为场致且具有磁滞特性的非绝热行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无外加磁场的条件下，三原子层石墨烯中能否出现超导二极管效应？
• RQ2 镜像对称tTLG中非互惠超电流的微观起源是什么？
• RQ3 谷极化如何导致有限动量库珀对成对与时间反演对称性破缺？
• RQ4 能否通过调节载流子密度或扭转角来调控二极管效应？
• RQ5 磁场训练在稳定非互惠超导态中的作用是什么？

主要发现

• 在B=0时，小扭转角三原子层石墨烯中观察到稳健的零场超导二极管效应，临界电流不对称性满足Ic+ ≠ Ic−。
• 通过磁场训练可实现二极管效应的可逆性：施加正向B场可使系统偏向某一方向的电流流动。
• 非互惠临界电流ΔIc在νtTLG ≈ 2.14和D = -573 mV/nm时达到最高10 nA，且在载流子密度扫描中表现出清晰的磁滞行为。
• 通过大直流电流“去训练”后，二极管效应消失，证实其为非绝热、场致的特性。
• 该效应可通过载流子密度和扭转角调控，在νtTLG ≈ 2.14附近观察到最大非互惠性。
• 霍尔电阻Rxy在特定填充因子下于Tc以下出现急剧上升，表明其与二极管态相关的空间各向异性。