[논문 리뷰] Correlated Insulator and Chern Insulators in Pentalayer Rhombohedral Stacked Graphene

Tonghang Han, Zhengguang Lu외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 03.

Graphene research and applications참고 문헌 45인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 rhombohedral-stacked pentalayer graphene에서 0 전하 밀도 및 0 편위 필드에서 상관된 절연 상태를 보고하고, 낮은 자기장에서 Chern 절연 상태 C = -5 및 C = -3를 보이며, 높은 필드에서 아이소스핀 편극 금속도 함께 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• rhombohedral-stacked 다층 그래핀을 평면 대역과 조정 가능한 변위 필드를 통해 상관 전자 현상을 탐구하는 플랫폼으로 육성한다.
• 실험적으로 pentalayer rhombohedral graphene이 0 밀도와 0 편위 필드에서 상관 절연체를 호스팅하고, 유한한 편위 필드와 자기장 하에서 Chern 절연체를 통해 위상을 보여주며, 이로써 토폴로지의 가능성을 입증한다.
• 저밀도에서 낮은 필드의 Chern 수 C = -5 및 C = -3이 나타나고, 더 높은 편위 필드와 밀도에서 반-및 무정 상태가 있음을 확인한다.

제안 방법

• precisely-controlled 층 제어로 hBN으로 캡슐화한 pentalayer rhombohedral graphene 디바이스를 제조한다.
• 전하 밀도와 변위 필드에 대한 저항을 매핑하기 위해 100 milli-Kelvin까지 전자 전도 측정을 수행한다.
• 변위 필드와 저자기장을 적용하여 위상적(Ch ern) 절연 상태를 유도하고 식별한다.
• 일부 영역에서 금속상 지상을 예측하는 tight-binding 계산과 실험 관측을 비교한다.
• 고자장 영역에서 아이소스핀 편향된 금속 상과 Stoner형 불안정성을 드러낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 rhombohedral-stacked pentalayer graphene이 0 밀도와 0 편위 필드에서 상관 절연 상태를 실현할 수 있는가?
• RQ2 이 시스템에서 변위 필드 조정을 통해 유한한 Chern 수를 갖는 낮은 자기장의 Chern 절연체를 구현할 수 있는가?
• RQ3 플랫 대역과 전자 상호작용이 이 물질의 토폴로지적 및 자기적 불안정성을 이끄는 역할은 무엇인가?
• RQ4 높은 편위 필드와 전하 밀도는 4분의 1/2 메탈 상태의 출현에 어떤 영향을 주는가?
• RQ5 모아이레이(superlattice) 엔지니어링 없이, 이 시스템이 상호 얽힌 상관관계와 토폴로지를 위한 플랫폼이 되는가?

주요 결과

• 0 전하 밀도와 0 편위 필드에서 MΩ 이상 저항의 상관 절연 상태가 관찰되며, tight-binding 모델의 금속적 기저 상태 예측과는 대조적이다.
• 유한한 편위 필드 하에서 저자기장(~1 Tesla)에서 C = -5의 Chern 절연 상태와 추가로 C = -3의 상태가 나타난다.
• 더 높은 편위 필드와 전하 밀도에서 아이소스핀 편향된 4분의 1/2 메탈 상태가 관찰된다.
• Rhombrohased pentalayer graphene은 단일 플랫 대역에서 두 가지 유형의 페리미터 불안정성인 평면 대역 주도형과 Stoner형을 활성화한다.
• 이 시스템은 모아이레이 초격자 설계 없이도 그래핀에서 전자 상관관계와 토폴로지를 얽힌 새로운 경로를 보여준다.