ナノ科学：魔法角2層グラフェンにおける超伝導、軌道磁性体、相関状態

超伝導は、対称性の破れた親状態に近い条件下で発現し得る。2層グラフェンでは、片方の層をもう片方の層に対して約1°の「魔法」ねじれ角だけ回転させると、非常にフラットなモアレ超格子ミニバンドが現れる。そうしたバンドは、特に相互作用誘起絶縁状態付近で現れる超伝導など、強相関物理の豊かで高度に調節可能な起源となる。今回我々は、ねじれ角が非常に均一な魔法角ねじれ2層グラフェンデバイスを作製したことを報告する。ねじれ角の乱れを減らすことによって、4重にスピン・バレー縮退したフラット伝導帯および価電子帯の整数占有率全て、すなわちモアレバンド充填率ν = 0, ±1, ±2, ±3において絶縁状態の存在が明らかになった。ν ≈ −2では、最高3 Kの臨界温度以下で超伝導が観測された。我々はまた、ν = 0およびν = ±1絶縁状態付近において、はるかに低い温度で3つの新しい超伝導ドームを観測した。特に、ν = ±1において非ゼロのチャーン数を持つ状態が見いだされたことは注目すべきである。ν = −1では、3.6テスラを超える垂直磁場を印加すると、絶縁状態は急峻なヒステリシス的抵抗増大を示した。これは、磁場に駆動される相転移と一致する。今回の研究は、対称性の破れた状態、相互作用に駆動される絶縁体、軌道磁性体、非ゼロのチャーン数を持つ状態、超伝導ドームが、電荷中性付近を含む広範なモアレフラットバンド充填にわたって頻繁に現れることを示している。この研究は、魔法角ねじれ2層グラフェンのさらに詳細な現象論的観点を示すとともに、この材料で出現するさまざまな特性の理解をさらに深めるものである。

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