【導讀】

眾所周知，上海二維層狀材料的交通性能取決于層的堆疊排列，多層石墨烯在電荷中性點（CNP）附近表現(xiàn)出能帶，大學其中低能帶可以用能量-動量色散關系近似描述?，重磅展現(xiàn)出具有很強的料牛庫侖相互作用。同時，上海石墨烯中的交通低能帶主要與動量空間Berry曲率相關，并表現(xiàn)出多種簡并。大學因此，重磅菱面體堆疊的料牛多層石墨烯可以承載多種相互作用驅(qū)動的破壞對稱狀態(tài)。實際上，上海最近在六方氮化硼 （hBN）器件上成功制造高質(zhì)量菱面體堆疊多層石墨烯，交通這也為研究對稱破缺效應提供了廣闊的大學機會。進一步研究顯示，重磅當石墨烯的料牛層數(shù)增加到四層時，庫侖相互作用變得足夠強，能夠自發(fā)引發(fā)對稱性，在hBN上的電荷中性ABCA-四層石墨烯（ABCA- 4LG）中，導致形成四種自旋-谷相關的層分辨電荷分布。

【成果掠影】

在此，上海交通大學陳國瑞副教授等人（通訊作者）通過引入來自鄰近的WSe₂層的自旋軌道耦合（SOC），報道了電荷腔ABCA-4LG的鐵磁性。提出了在四層菱面體石墨烯中觀察到這種狀態(tài)，石墨烯被六方氮化硼封裝并放置在一層WSe₂旁邊。最后一層的作用是誘導自旋軌道耦合，這在石墨烯中通常可以忽略不計。輸運測量表明鐵磁性和由磁場穩(wěn)定的霍爾電阻的量化，對應于Chern數(shù)為4。重要的是，其最大霍爾電阻在零磁場下達到78%，在0.4或-1.5特斯拉時實現(xiàn)了完全量子化，且通過垂直位移場能夠?qū)θN不同的破對稱絕緣態(tài)進行連續(xù)調(diào)控，通過包括磁場、電摻雜和垂直位移場在內(nèi)的三個旋鈕來切換Chern絕緣體的磁序。

相關研究成果以“Observation of a Chern insulator in crystalline ABCA-tetralayer graphene with spin-orbit coupling”為題發(fā)表在Science上。

【核心創(chuàng)新點】

1.本文通過引入來自鄰近的WSe₂層的自旋軌道耦合（SOC），報道了電荷腔ABCA-4LG的鐵磁性；

2.本文展示了一個基于可調(diào)控可調(diào)控層反鐵磁實現(xiàn)Chern絕緣體狀態(tài)的系統(tǒng)，為進一步的研究提供了一個靈活和通用的平臺，這種簡單的結(jié)構(gòu)也為研究拓撲相變和潛在地探索拓撲相開辟了途徑。

【數(shù)據(jù)概覽】

圖一、帶有單層WSe₂的ABCA-4LG原理圖和傳輸過程?? 2024 AAAS

圖二、在D=-0.1V/nm下的Chern絕緣體和磁場穩(wěn)定的QAH效應? 2024 AAAS

圖三、ABCA-4LG中帶和不帶SOC的CNP的破對稱絕緣態(tài)? 2024 AAAS

圖四、磁序的電氣切換? 2024 AAAS

【成果啟示】

綜上所述，本文討論了WSe₂在ABCA-4LG中觀察到的Chern絕緣體的具體性質(zhì)。首先，其機制明顯不同于摻雜或固有磁性拓撲絕緣體和二維莫爾超晶格中的Chern絕緣體態(tài)，時間反演對稱破缺來自于晶體石墨烯固有平帶內(nèi)的強庫侖相互作用。其次，系統(tǒng)中的磁性來源于不同層的K和K’谷，而不同于Moire系統(tǒng)。第三，ABCA-4LG/WSe₂中的Chern絕緣體位于電荷中性點，這與某些Moire超晶格填充處的Chern絕緣體不同。因此，Chern絕緣體的實現(xiàn)不需要精確控制扭轉(zhuǎn)角。最后，4的Chern數(shù)與ABCA-4LG的繞組數(shù)精確匹配，這意味著通過用SOC改變較厚的菱形多層石墨烯的層數(shù)能夠開發(fā)具有可控Chern數(shù)的Chern絕緣體。

文獻鏈接：“Observation of a Chern insulator in crystalline ABCA-tetralayer graphene with spin-orbit coupling”（Science，2024，10.1126/science.adj8272）

本文由材料人CYM編譯供稿。