[論文レビュー] Tunable Fractional Chern Insulators in Rhombohedral Graphene Superlattices

Jian Xie, Zihao Huo+12 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2024

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ラボヒドラルヘキサレイヤーグラフェン/BNモアレスーパーラティスにおいて、ゼロ磁場下でν = 2/3で頑健な量子化されたホール抵抗率を示す、チューナブルな分数量子ホール状態（FCIs）を実証した。電気変位場、垂直および平行磁場を調整することで、ホール抵抗率の符号反転を伴う量子相転移が観測されたが、FCI状態は全相において安定かつ量子化されたままであった。

ABSTRACT

Fractional Chern insulators (FCIs) showing a transport effect with fractionally quantized Hall plateaus emerging under zero magnetic field, provide a radically new opportunity to engineer topological quantum electronics. By construction of topological flat band with moire engineering, intrinsic FCIs have been observed in twisted MoTe2 system and rhombohedral pentalayer graphene/hBN moire superlattices with anomalous Hall resistivity quantization number C <= 2/3 including the gapless composite Fermi-liquid state with C = 1/2. Here, we experimentally demonstrate a new system of rhombohedral hexalayer graphene (RHG)/hBN moire superlattices, which exhibit both integer and fractional quantum anomalous Hall effects with rich tunability including electric displacement field, perpendicular magnetic field and in-plane magnetic field. By tuning the electrical and magnetic fields at 0 < v < 1, we have observed a quantum phase transition showing a sign reversal of the Hall resistivity at finite magnetic fields. Surprisingly, the FCI state at v = 2/3 survives in the phase transitions, exhibiting a robust quantized Hall resistivity across both phases. Finally we have further demonstrated the indispensable role moire potential plays in the formation of the flat Chern band from a theoretical perspective. Our work has established RHG/hBN moire superlattices as a promising platform for exploring quasi-particles with fractional charge and non-Abelian anyons at zero magnetic field.

研究の動機と目的

• ゼロ磁場下で分数量子ホール状態（FCIs）を研究可能なチューナブルなプラットフォームとして、ラボヒドラルヘキサレイヤーグラフェン/BNモアレスーパーラティスを確立すること。
• モアレポテンシャルがFCIsに不可欠な平坦なチエーンバンドを形成する役割を解明すること。
• 電場および磁場を変化させた際のFCI状態の安定性とチューナビリティを調査すること。
• ホール抵抗率の符号反転を伴う量子相転移が発生するが、FCIの量子化が維持されることを観測すること。
• 外部磁場が存在しない状況下でも、異なるトポロジカル相において、頑健な分数量子アノマラスホール効果と量子化された抵抗率が実現されることを示すこと。

提案手法

• 平坦なチエーンバンドを形成するように、ねじれ角を精密に制御したラボヒドラルヘキサレイヤーグラフェン/BNモアレスーパーラティスの作製。
• 二重ゲートを用いた電気的変位場の適用により、キャリア密度およびバンドトポロジーをチューニング。
• 垂直および平行磁場を印加し、トポロジカル相転移およびホール応答を調査。
• 縦抵抗およびホール抵抗の測定により、量子化プラトーおよび相転移を特定。
• 理論的モデリングにより、モアレポテンシャルが平坦なチエーンバンドを形成する上で不可欠であることを示した。
• 有限磁場下におけるホール抵抗率の符号反転を分析し、量子相転移を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロ磁場下において、ラボヒドラルヘキサレイヤーグラフェン/BNモアレスーパーラティスで分数量子ホール状態が安定化可能か？
• RQ2 電気的変位場および磁場の調整が、FCI状態の安定性にどのように影響するか？
• RQ3 モアレポテンシャルがFCIsに不可欠な平坦なチエーンバンドを形成する上で果たす役割は何か？
• RQ4 ホール抵抗率の符号反転を伴う量子相転移を経ても、ν = 2/3におけるFCI状態は生存するか？
• RQ5 外部磁場が存在しない状況下でも、異なるトポロジカル相において、頑健な量子化されたホール抵抗率を維持できるか？

主な発見

• ゼロ磁場下において、ラボヒドラルヘキサレイヤーグラフェン/BNモアレスーパーラティスで、ν = 2/3で頑健な分数量子アノマラスホール効果と量子化されたホール抵抗率が観測された。
• 有限磁場下でホール抵抗率の符号反転を伴う量子相転移が観測され、トポロジカル遷移を示唆した。
• ホール抵抗率の符号反転にもかかわらず、ν = 2/3におけるFCI状態は、両相においても量子化され、安定であった。
• 電気的変位場、垂直磁場、および平行磁場を用いることで、FCI状態のチューニングが達成された。
• 理論的分析により、モアレポテンシャルがFCI状態を支える平坦なチエーンバンドを形成するために不可欠であることが確認された。
• 本系は整数量子アノマラスホール効果および分数量子アノマラスホール効果を両方有しており、多様なトポロジカル相制御が可能であることを示した。