[論文レビュー] Correlated Insulator and Chern Insulators in Pentalayer Rhombohedral Stacked Graphene

Tonghang Han, Zhengguang Lu+8 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2023

Graphene research and applications参考文献 45被引用数 11

ひとこと要約

論文は、零チャージ密度と零変位場での相関絶縁状態、および低磁場での Chern 絶縁状態を rhombohedral-stacked pentalayer graphene で報告し、さらに高磁場では isospin-polarized metals を示します。

ABSTRACT

Rhombohedral stacked multilayer graphene is an ideal platform to search for correlated electron phenomena, due to its pair of flat bands touching at zero energy and further tunability by an electric field. Furthermore, its valley-dependent Berry phase at zero energy points to possible topological states when the pseudospin symmetry is broken by electron correlation. However, experimental explorations of these opportunities are very limited so far, due to a lack of devices with optimized layer numbers and configurations. Here we present electron transport measurements of hBN-encapsulated pentalayer graphene at down to 100 milli-Kelvin. We observed a correlated insulating state with >MOhm resistance at zero charge density and zero displacement field, where the tight-binding calculation predicts a metallic ground state. By increasing the displacement field, we observed a Chern insulator state with C = -5 and two other states with C = -3 at a low magnetic field of ~1 Tesla. At high displacement fields and charge densities, we observed isospin-polarized quarter- and half-metals. Therefore, rhombohedral-stacked pentalayer graphene is the first graphene system to exhibit two different types of Fermi-surface instabilities: driven by a pair of flat bands touching at zero energy, and by the Stoner mechanism in a single flat band. Our results demonstrate a new direction to explore intertwined electron correlation and topology phenomena in natural graphitic materials without the need of moiré superlattice engineering.

研究の動機と目的

• rhombohedral-stacked multilayer graphene を、フラットバンドと可変ディスプレイスメント場を介して相関電子現象を探るプラットフォームとして動機づける。
• 零密度・零ディスプレイスメント場での相関絶縁体を、有限のディスプレイスメント場と磁場下でのトポロジーとしての Chern 絶縁体として実証する。
• 低磁場で Chern 数 C = -5 および C = -3 が現れ、高いディスプレイスメント場と密度でのアイソスピン偏極された四分体・半金属を同定する。

提案手法

• 精密な層制御を有する hBN 包埋みパンタラーレベル rhombohedral graphene デバイスを作製する。
• 抵抗を密度とディスプレイスメント場に対してマッピングするため、100 mK 程度まで電子輸送測定を行う。
• ディスプレイスメント場と低磁場を印加してトポロジー的（Chern）絶縁状態を誘起・同定する。
• 実験観測を、特定の領域で金属的基底状態を予測する tight-binding 計算と比較する。
• 高磁場領域を特徴付けて、アイソスピン偏極された金属相と Stoner 型不安定性を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 rhomohedral-stacked pentalayer graphene は、零密度・零ディスプレイスメント場で相関絶縁状態を実現できるか？
• RQ2 この系でディスプレイスメント場の調整を通じて低磁場での Chern 数を持つ絶縁体を実現できるか？
• RQ3 フラットバンドと電子相関は、この材料におけるトポロジー的・磁性的不安定性をどう駆動するのか？
• RQ4 高いディスプレイスメント場と電荷密度は、四分・半金属状態の出現にどう影響するか？
• RQ5 この系は moiré 超格子設計なしで、相関とトポロジーが絡み合うプラットフォームを提供するか？

主な発見

• 零チャージ密度・零ディスプレイスメント場で抵抗が MΩ 超となる相関絶縁状態を観測し、tight-binding モデルの金属基底状態予測と対照的である。
• 有限ディスプレイスメント場下で低磁場（約1 テスラ）において C = -5 の Chern 絶縁体状態と追加で C = -3 の状態が現れる。
• ディスプレイスメント場と電荷密度が高いときに、アイソスピン偏極した四分・半金属状態が観測される。
• rhombrohased pentalayer graphene は単一のフラットバンド内でフラットバンド駆動型と Stoner 型の二つの異なるフェルミ面不安定性を引き起こす。
• この系は、モアリ超格子設計なしで、グラフene における電子相関とトポロジーを絡み合わせる新たな道を示す。