[論文レビュー] Observation of Chern insulator in crystalline ABCA-tetralayer graphene with spin-orbit coupling

Yating Sha, Jian Zheng+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2023

Graphene research and applications被引用数 8

ひとこと要約

論文は、WSe2からの近接可能なスピン軌道相互作用によって誘導される電荷中性のABCA-tetralayerグラフェンにおける強磁性状態を報告し、それがChern数4のチェーン磁性絶縁体として識別され、量子化された霍ル応答を示す。

ABSTRACT

Degeneracies in multilayer graphene, including spin, valley, and layer degrees of freedom, are susceptible to Coulomb interactions and can result into rich broken-symmetry states. In this work, we report a ferromagnetic state in charge neutral ABCA-tetralayer graphene driven by proximity-induced spin-orbit coupling from adjacent WSe2. The ferromagnetic state is further identified as a Chern insulator with Chern number of 4, and its Hall resistance reaches 78% and 100% quantization of h/4e2 at zero and 0.4 tesla, respectively. Three broken-symmetry insulating states, layer-antiferromagnet, Chern insulator and layer-polarized insulator and their transitions can be continuously tuned by the vertical displacement field. Remarkably, the magnetic order of the Chern insulator can be switched by three knobs, including magnetic field, electrical doping, and vertical displacement field.

研究の動機と目的

• スピン軌道近接を伴う多層グラフェンにおける相互作用駆動の破れた対称性状態の探索を促進する。
• 荷電中性でABCA-tetralayerグラフェンにおける強磁性・Chern絶縁相を実証する。
• 垂直的変位場および外部パラメータを介した異なる絶縁相の可制御性を示す。

提案手法

• WSe2に近接させた結晶的ABCA-tetralayerグラフェンを用い、スピン軌道相互作用を誘導する。
• 輸送測定と霍ル抵抗の量子化を通じて強磁性/Chern絶縁状態を同定する。
• 垂直変位場の関数として層反強磁性、Chern絶縁体、層極性絶縁体の遷移を特徴付ける。
• 磁場、電気的ドーピング、変位場を用いてChern絶縁体の磁気秩序を切り替えることを実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近接誘起スピン軌道相互作用は、荷電中性におけるABCA-tetralayerグラフェンで強磁性・Chern絶縁相を安定化できるか。
• RQ2 観測された絶縁状態に対応する霍ル抵抗の量子化値とChern数はいくらか。
• RQ3 垂直変位場、磁場、キャリア密度は層反磁性、Chern絶縁体、層極性絶縁体の遷移をどのように調整するか。

主な発見

• WSe2からの近接誘起スピン軌道相互作用を介して、電荷中性のABCA-tetralayerグラフェンに強磁性状態が実現される。
• この強磁性状態はChern数4のChern絶縁体として同定される。
• ゼロ磁場での霍ル抵抗はh/4e^2の78%量子化、0.4 Tで100%量子化に達する。
• 垂直変位場によって層反磁性、Chern絶縁体、層極性絶縁体の三つの破れた対称性絶縁状態が連続的に調整可能である。
• Chern絶縁体の磁気秩序は磁場、電気ドーピング、垂直変位場によって切り替え可能である。