[논문 리뷰] Ferroelectric and anomalous quantum Hall states in bare rhombohedral trilayer graphene

Felix Winterer, Fabian R. Geisenhof외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 08.

Graphene research and applications참고 문헌 49인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 순수한 삼층 라인홀드 그래핀에서 예측된 다섯 가지 자발적 양자홀 상태 중 네 가지에 대한 실험적 운반 증거를 제공하며, 각각 고전압과 저전압에서 3과 6의 체른 수를 보이며 명확한 자기 및 전기 히스테리시스를 나타낸다. 이는 영자기장에서의 양자홀 페로자석이 자발적 층 극성과 함께 페로전자체이기도 하며, 간단하고 기본적인 물질 체계에서 풍부한 상관 전자 물리 현상을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 상관관계가 있는 양자상이 전자 상호작용 증가로 인해 라인홀드 삼층 그래핀에서 어떻게 나타나는지 조사하기.
• 평탄한 밴드를 가진 고품질 이중게이트 장치에서 경쟁하는 정렬된 상태를 식별하고 특성화하기.
• 영제로 랑주 레벨의 양자홀 페로자석이 자발적 층 극성을 보이는지 확인하여 페로전자체 상태를 나타내는지 규명하기.
• 간단한 원소 2차원 시스템에서 위상적 순서, 자성, 페로전자체성 간의 상호작용을 탐구하기.

제안 방법

• 고전자 품질을 가진 이중게이트, hBN 봉입형 라인홀드 삼층 그래핀 장치의 제작.
• 수직 자기장과 이중게이트 전기장의 적용을 통해 캐리어 밀도와 밴드 구조 조절.
• 정량화된 플랫폼과 히스테리시스 서명을 감지하기 위해 縦방향 및 홀 전기저항 측정.
• 자기장 스윕과 전기장 사이클링을 통해 양자홀 상태의 안정성과 히스테리시스 행동 탐색.
• 정량화된 홀 전도도를 통한 체른 수 할당 분석 및 이론적 예측과의 비교.
• 외부 전기장이 없는 조건에서 전기장 히스테리시스를 통해 페로전자체 순서 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 전기장과 자기장 조건에서 라인홀드 삼층 그래핀에서 다수의 경쟁 양자홀 상태가 안정화될 수 있는가?
• RQ2 영제로 랑주 레벨의 양자홀 페로자석이 자발적 층 극성을 보이며 내재된 페로전자체성을 나타내는가?
• RQ3 관측된 양자홀 상태의 체른 수는 무엇이며, 전기장과 자기장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 자기장 및 전기장 히스테리시스 서명은 대칭성 파괴 상태의 성격을 어떻게 드러내는가?
• RQ5 간단하고 기본적인 2차원 물질이 위상적 순서, 자성, 페로전자체성 포함 복잡한 상관상태를 얼마나 잘 수용할 수 있는가?

주요 결과

• 라인홀드 삼층 그래핀에서 예측된 다섯 가지 자발적 양자홀 상태 중 네 가지가 관측되었으며, 각각 고전압과 저전압에서 체른 수 3과 6이 안정화되었다.
• 체른 수 3과 6 상태에서 뚜렷한 자기 히스테리시스가 관측되어 강력한 대칭성 파괴 순서가 있음을 시사한다.
• 영제로 랑주 레벨의 양자홀 페로자석은 외부 전기장을 적용하지 않은 상태에서도 전기 히스테리시스를 보이며, 자발적 층 극성과 페로전자체 순서를 확인한다.
• 페로전자체 순서는 위상적 양자홀 상태와 공존하며, 시간역전, 치랄 대칭성 및 층 대칭성의 동시 파괴를 나타낸다.
• 이 시스템은 위상적, 자성, 페로전자체 상태를 포함한 경쟁하는 다양한 상을 포함한 풍부한 상도표를 보이며, 전기장과 자기장에 의해 조절 가능하다.
• 결과적으로, 외부 도핑이나 복잡한 이중구조가 없이도 간단한 원소 2차원 물질이 복잡한 상관 전자 현상의 상호작용을 수용할 수 있음을 입증한다.