[論文レビュー] Ferroelectric and anomalous quantum Hall states in bare rhombohedral trilayer graphene

Felix Winterer, Fabian R. Geisenhof+4 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2023

Graphene research and applications参考文献 49被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、裸の斜方晶三層グラフェンにおける予測された5つのスピン自由度量子ホール状態のうち4つについて、実験的輸送的証明がなされた。それぞれの状態では、高い電界と低い電界で、チャーン数3および6が安定化され、明確な磁気的および電気的ヒステリシスが観測された。また、ゼロ磁場における量子ホールフェロ磁体が、自発的層極化を示すフェロ電気体でもあることが明らかになった。これは、単純で基本的な物質系において、豊富な相関電子物理学が実現可能であることを示している。

ABSTRACT

Nontrivial interacting phases can emerge in elementary materials. As a prime example, continuing advances in device quality have facilitated the observation of a variety of spontaneous quantum Hall-like states, a cascade of Stoner-like magnets, and an unconventional superconductor in bilayer graphene. Its natural extension, rhombohedral trilayer graphene is predicted to be even more susceptible to interactions given its even flatter low-energy bands and larger winding number. Theoretically, five spontaneous quantum Hall phases have been proposed to be candidate ground states. Here, we provide transport evidence for observing four of the five competing ordered states in interaction-maximized, dually-gated, rhombohedral trilayer graphene. In particular, at vanishing but finite magnetic fields, two states with Chern numbers 3 and 6 can be stabilized at elevated and low electric fields, respectively, and both exhibit clear magnetic hysteresis. We also reveal that the quantum Hall ferromagnets of the zeroth Landau level are ferroelectrics with spontaneous layer polarizations even at zero electric field, as evidenced by electric hysteresis. Our findings exemplify the possible birth of rich interacting electron physics in a simple elementary material.

研究の動機と目的

• スピン自由度の強い相関が生じる理由として、電子相互作用の増強がもたらす、斜方晶三層グラフェンにおける強相関量子相の出現を調査すること。
• フラットバンドを持つ高品質な二重ゲート型デバイスにおいて、競合する秩序状態を同定および特徴付けること。
• ゼロ番目のランダウ準位における量子ホールフェロ磁体が、自発的層極化を示すかどうかを特定し、フェロ電気秩序の有無を検証すること。
• 単純で元素的な2次元系において、トポロジー秩序、磁性、フェロ電気性の相互作用を調査すること。

提案手法

• 高電子的品質を有する二重ゲート型、hBNカプセル化された斜方晶三層グラフェンデバイスの作製。
• 垂直磁場および二重ゲート電場を用いてキャリア密度とバンド構造を調整。
• 縦抵抗およびホール抵抗の測定により、量子化されたプラトーおよびヒステリシスの兆候を検出。
• 磁場スイープと電場サイクリングを用いて、量子ホール状態の安定性およびヒステリシス行動を調査。
• 量子化されたホール伝導度を用いたチャーン数の割り当てと、理論予測との比較による解析。
• 外部電場が存在しない状態での電場ヒステリシスを用いたフェロ電気秩序の同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまな電場および磁場条件下で、斜方晶三層グラフェンに複数の競合する量子ホール状態が安定化可能か？
• RQ2 ゼロ番目のランダウ準位における量子ホールフェロ磁体が、自発的層極化を示すかどうか、すなわち内在的なフェロ電気性を有するか？
• RQ3 観測された量子ホール状態のチャーン数は何か？また、電場および磁場にどのように依存するか？
• RQ4 磁気的および電気的ヒステリシスの兆候は、対称性が破れた基底状態の性質をどのように明らかにするか？
• RQ5 単純で基本的な2次元材料が、トポロジー秩序、磁性、フェロ電気性を含む複雑な相関状態をどれほど持てるか？

主な発見

• 予測された5つのスピン自由度量子ホール状態のうち、4つが斜方晶三層グラフェンで観測された。チャーン数3および6は、それぞれ高い電場および低い電場で安定化された。
• チャーン数3および6の両状態で、明確な磁気的ヒステリシスが観測され、強固な対称性が破れた秩序が示された。
• ゼロ番目のランダウ準位における量子ホールフェロ磁体は、外部電場をゼロにした状態でも電気的ヒステリシスを示し、自発的層極化およびフェロ電気秩序の存在が確認された。
• フェロ電気秩序はトポロジカル量子ホール状態と同時に存在しており、時間反転、チラリティ、層対称性の同時破れを示している。
• トポロジカル秩序、磁性、フェロ電気秩序を含む競合する秩序が存在する、複雑な相図が観測され、電場および磁場によるチューニングが可能であった。
• 本研究の結果は、外部ドーピングや複雑なヘテロ構造を用いなくても、単純で基本的な2次元材料が、複雑な相関電子現象の複雑な相互作用を実現可能であることを示している。