Multi-Knob Switchable Chiral Superconductivity Quartet in Rhombohedral Graphene

技術要約：菱面体グラフェンにおけるマルチノブ・スイッチ可能なカイラル超伝導クァルテット

問題と動機
菱面体多層グラフェンは、スピン、谷、層の自由度を含む豊かなアイソスピン構造を特徴とする、相関電子相およびトポロジカル電子相のための高度に調整可能なプラットフォームとして台頭している。近年の実験では、より薄い菱面体グラフェン（テトラおよびペンタ層）において、軌道時間反転対称性の破れと、谷偏極したクォーターメタル（QM）親状態間のヒステリシス磁気スイッチングを特徴とするカイラル超伝導（CSC）が確立されているが、これらの発見は、利用可能なスピン・谷フレーバーの全スペクトルをまだ活用できていない。重要な未解決の問いは、利用可能な4つのスピン・谷アイソスピンフレーバーすべてに対応する異なる超伝導状態が、単一の結晶デバイス内で実現され、電気的に制御可能であるかどうかである。これを解決することは、ドメイン壁に沿ってマヨラナモードを宿すようなトポロジカルデバイスや、プログラマブルな超伝導ネットワークの開発に不可欠である。

手法
著者らは、デュアルゲート型菱面体ヘキサ層グラフェン（R6G）デバイスを用いた輸送測定の結果を報告している。デバイスは、モアレ超格子効果を避けるために、R6Gを隣接する六方晶窒化ホウ素（hBN）層に対して意図的にミスアライメントさせて、ファンデルワールス・アセンブリ技術を用いて作製された。R6Gは、キャリア密度（$n$）と変位電界（$D$）を独立して制御できるように、トップおよびボトムのグラファイトゲートの間に封入されている。

輸送測定は、希釈冷凍器内において、基底温度（~10 mK）で低周波ロックイン技術を用いて行われた。本研究では、$n$、$D$、および面外磁場（$B_\perp$）の関数として、縦抵抗（$R_{xx}$）およびホール抵抗（$R_{xy}$）を系統的にマッピングした。超伝導状態の常伝導親相を特徴付けるために、超伝導が抑制される高温（最大4 K）での量子振動（ランダウファン）および異常ホール効果を利用した。理論的解析には、カネ・メレ型のスピン軌道相互作用、スピン・ゼーマン結合、および谷対照的な軌道磁気性を組み込んだ最小限の現象論的モデルと、軌道磁気に関する自己整合的ハートリー＝フォック計算が含まれる。

主な結果

1. 磁場誘起超伝導状態（SCH）の発見： 以前に報告されたCSCに類似した2つのゼロ磁場超伝導状態（SC1およびSC2）に加えて、著者らは、面外磁場が約0.8 Tの閾値を超えたときにのみ出現する新しい超伝導状態、SCHを特定した。SCHは、約1.6 Tの上部臨界磁場まで持続し、これはSC1およびSC2の臨界磁場よりも著しく高い。
2. 異なる親状態： 量子振動および異常ホール効果の測定により、SC1とSCHは異なる親金属相から生じていることが明らかになった。SC1はゼロ磁場のクォーターメタル（QM）状態から出現し、一方でSCHは磁場誘起のクォーターメタル（QM′）状態から出現する。決定的なことに、QMとQM′の相境界を横切る際に異常ホール抵抗が符号を変えることは、これらの親状態が反対の谷偏極と反対の軌道磁気を持っていることを示している。
3. スイッチ可能なカイラル超伝導クァルテット： 磁場（$B_\perp$）、キャリア密度（$n$）、および変位電界（$D$）をチューニングすることで、4つの異なる超伝導状態を選択できることを著者らは実証した。これらの状態は、4つのスピン・谷アイソスピンフレーバーに対応しており、正の$B_\perp$において2つの谷偏極状態（SC1およびSCH）、および負の$B_\perp$においてその時間反転パートナーに対応している。
4. 静電的および磁気的プログラマビリティ： 固定された$n$および$D$の下で$B_\perp$を変化させるか、あるいは固定された$B_\perp$の下で$n$および$D$を変化させることによって、SC1とSCHの間の遷移を駆動できる。これらの状態間の境界はヒステリシスを示しており、一次相転移のような性質を示唆している。このマルチノブ制御により、均一な結晶内において異なる超伝導状態間のドメイン壁を局所的に定義することが可能となる。

意義および主張
本論文は、菱面体グラフェンが「スイッチ可能なカイラル超伝導クァルテット」を実現できるマルチノブ・プラットフォームであることを確立している。主な意義は、このシステムにおける超伝導が、単一のフレーバーやバイナリ・スイッチングに限定されるのではなく、4つのスピン・谷アイソスピンフレーバーすべてから派生し得ることを示した点にある。

著者らは、スイッチング機構を、固有のカネ・メレ型スピン・谷分裂と、スピン・谷依存的な磁気モーメントへの磁場結合（スピンおよび軌道ゼーマンエネルギー）との間の競争として解釈している。この競争がアイソスピンフレーバーを再配列させ、磁場が反対の谷偏極を持つ親状態を選択することを可能にしている。

輸送データは、谷偏極した親状態間のスイッチングを裏付けているが、著者らは、親状態の谷偏極と超伝導オーダーパラメータのカイラリティとの直接的な関係は、依然として実験的な未解決問題であると述べている。しかし、もしこれら2つの状態が反対のオーダーパラメータのカイラリティを持つならば、ゲートによって定義されたこれらの状態間のドメイン壁は、一次元のマヨラナ境界モードを支持する可能性があると提案している。本研究は、プログラマブルな超伝導ネットワークを構築するための基礎を提供し、相関トポロジカル材料における超伝導、谷偏極、および軌道磁気性の相互作用を探求するための新しい道筋を提示している。