【導(dǎo)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(diǎn)（CNP）附近表現(xiàn)出能帶，大學(xué)其中低能帶可以用能量-動(dòng)量色散關(guān)系近似描述?，重磅展現(xiàn)出具有很強(qiáng)的料牛庫(kù)侖相互作用。同時(shí)，上海石墨烯中的交通低能帶主要與動(dòng)量空間Berry曲率相關(guān)，并表現(xiàn)出多種簡(jiǎn)并。大學(xué)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(dòng)的破壞對(duì)稱狀態(tài)。實(shí)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(duì)稱破缺效應(yīng)提供了廣闊的大學(xué)機(jī)會(huì)。進(jìn)一步研究顯示，重磅當(dāng)石墨烯的料牛層數(shù)增加到四層時(shí)，庫(kù)侖相互作用變得足夠強(qiáng)，能夠自發(fā)引發(fā)對(duì)稱性，在hBN上的電荷中性ABCA-四層石墨烯（ABCA- 4LG）中，導(dǎo)致形成四種自旋-谷相關(guān)的層分辨電荷分布。

【成果掠影】

在此，上海交通大學(xué)陳國(guó)瑞副教授等人（通訊作者）通過(guò)引入來(lái)自鄰近的WSe₂層的自旋軌道耦合（SOC），報(bào)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(dǎo)自旋軌道耦合，這在石墨烯中通常可以忽略不計(jì)。輸運(yùn)測(cè)量表明鐵磁性和由磁場(chǎng)穩(wěn)定的霍爾電阻的量化，對(duì)應(yīng)于Chern數(shù)為4。重要的是，其最大霍爾電阻在零磁場(chǎng)下達(dá)到78%，在0.4或-1.5特斯拉時(shí)實(shí)現(xiàn)了完全量子化，且通過(guò)垂直位移場(chǎng)能夠?qū)θN不同的破對(duì)稱絕緣態(tài)進(jìn)行連續(xù)調(diào)控，通過(guò)包括磁場(chǎng)、電摻雜和垂直位移場(chǎng)在內(nèi)的三個(gè)旋鈕來(lái)切換Chern絕緣體的磁序。

相關(guān)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(diǎn)】

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

2.本文展示了一個(gè)基于可調(diào)控可調(diào)控層反鐵磁實(shí)現(xiàn)Chern絕緣體狀態(tài)的系統(tǒng)，為進(jìn)一步的研究提供了一個(gè)靈活和通用的平臺(tái)，這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也為研究拓?fù)湎嘧兒蜐撛诘靥剿魍負(fù)湎嚅_(kāi)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(guò)程?? 2024 AAAS

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

圖三、ABCA-4LG中帶和不帶SOC的CNP的破對(duì)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(jī)制明顯不同于摻雜或固有磁性拓?fù)浣^緣體和二維莫爾超晶格中的Chern絕緣體態(tài)，時(shí)間反演對(duì)稱破缺來(lái)自于晶體石墨烯固有平帶內(nèi)的強(qiáng)庫(kù)侖相互作用。其次，系統(tǒng)中的磁性來(lái)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(diǎn)，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(shí)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(guò)用SOC改變較厚的菱形多層石墨烯的層數(shù)能夠開(kāi)發(fā)具有可控Chern數(shù)的Chern絕緣體。

文獻(xiàn)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。