[논문 리뷰] Fractional Quantum Anomalous Hall Effect in a Graphene Moire Superlattice

Zhengguang Lu, Tonghang Han외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 29.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 17

한 줄 요약

저자들은 rhombohedral pentalayer graphene/hBN moire superlattice에서 제로 자기장 하에서의 정수 및 분수 양자 이상 홀 효과를 관찰했다고 보고하며, 특정 홀 저항 플래토와 게이트 변위 필드 및 채움 계수에 의한 위상 가변성을 보인다.

ABSTRACT

The fractional quantum anomalous Hall effect (FQAHE), the analog of the fractional quantum Hall effect1 at zero magnetic field, is predicted to exist in topological flat bands under spontaneous time-reversal-symmetry breaking. The demonstration of FQAHE could lead to non-Abelian anyons which form the basis of topological quantum computation. So far, FQAHE has been observed only in twisted MoTe2 (t-MoTe2) at moire filling factor v > 1/2. Graphene-based moire superlattices are believed to host FQAHE with the potential advantage of superior material quality and higher electron mobility. Here we report the observation of integer and fractional QAH effects in a rhombohedral pentalayer graphene/hBN moire superlattice. At zero magnetic field, we observed plateaus of quantized Hall resistance Rxy = h/(ve^2) at filling factors v = 1, 2/3, 3/5, 4/7, 4/9, 3/7 and 2/5 of the moire superlattice respectively. These features are accompanied by clear dips in the longitudinal resistance Rxx. In addition, at zero magnetic field, Rxy equals 2h/e^2 at v = 1/2 and varies linearly with the filling factor-similar to the composite Fermi liquid (CFL) in the half-filled lowest Landau level at high magnetic fields. By tuning the gate displacement field D and v, we observed phase transitions from CFL and FQAH states to other correlated electron states. Our graphene system provides an ideal platform for exploring charge fractionalization and (non-Abelian) anyonic braiding at zero magnetic field, especially considering a lateral junction between FQAHE and superconducting regions in the same device.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 기반 모어 시스템에서 제로 자기장에서 FQAHE를 탐색하는 동기를 부여하여 위상 상태 및 애니온 브레이딩을 위한 고품질의 tunable 플랫폼을 가능하게 하는 것.
• 모어 초격자의 분수 충전으로 대응하는 제로필드에서 양자 홀 플래토를 보여주고 관련 위상 전이를 탐구하는 것.
• 게이트 변위 필드와 모어 채움이 CFL 유사 상태와 FQAH 상태 및 다른 상관 상태 간 전이를 어떻게 제어하는지 식별하는 것.

제안 방법

• hBN으로 캡슐화된 rhombohedral pentalayer graphene이 모어 초격자를 형성하도록 연구한다.
• 제로 자기장에서 varying moiré filling factors v와 게이트 displacement field D에 대해 Rxy(홀저항)와 Rxx(종방향 저항)를 측정한다.
• v = 1, 2/3, 3/5, 4/7, 4/9, 3/7, 2/5에 대해 h/(v e^2)의 양자화된 Rxy 플래토를 확인하고 Rxx의 딥스를 관찰한다.
• v = 1/2에서 zero-field에서 Rxy = 2h/e^2를 관찰하고 충전 계수에 따른 선형 의존성은 CFL 동작과 유사하다.
• D와 v를 조정하여 CFL/FQAH 상태와 다른 상관 상태 간의 위상 전이를 탐구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 모어 초격자 시스템이 제로 자기장에서 분수 양자 이상 홀 상태를 수용할 수 있는가?
• RQ2 rhombohedral pentalayer graphene/moiré 시스템에서 어떤 분수 채움 인자가 양자 홀 응답을 보이는가?
• RQ3 게이트 변위 필드와 모어 채움 인자가 CFL 유사 상태, FQAH 및 다른 상관 상태 간의 전이에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제로 필드에서 Rxy = h/(v e^2)로 양자화된 홀 플래토를 관측하고 Rxx의 동시 감소가 나타난다.
• 제로 필드에서 v = 1/2일 때 Rxy = 2h/e^2이고 채움 계수에 따른 선형 의존성은 CFL 행동과 유사하다.
• 게이트 변위 필드 D와 채움 계수 v가 CFL/FQAH 상태와 다른 상관 상태 간의 위상 전이를 유발한다.
• 그래핀 모어 초격자 플랫폼은 0 자기장에서의 전하 분수화 및 잠재적 비아벨리안 애니온 브레이딩을 탐구하기 위한 고품질 시스템을 제공한다.