[논문 리뷰] Observation of Chern insulator in crystalline ABCA-tetralayer graphene with spin-orbit coupling

Yating Sha, Jian Zheng외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 27.

Graphene research and applications인용 수 8

한 줄 요약

논문은 WSe2로부터의 인접-활성 스핀-궤도 커플링에 의해 유도된 자성 상태를 charge-neutral ABCA-tetralayer graphene에서 보고하며, 이는 Chern 수 4의 Chern 절연체로 식별되고 양자화된 홀 응답을 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다층 그래핀에서 스핀-오비 커플링 근접성으로 인한 상호작용에 의해 주도되는 깨진 대칭 상태의 탐색을 촉진한다.
• 자성 강자성의 Chern 절연 상태를 전하 중성에서 ABCA-tetralayer 그래핀에서 입증한다.
• 수직 변위 필드와 외부 매개변수를 통해 서로 다른 절연상을 제어할 수 있음을 보인다.

제안 방법

• WSe2와의 근접성을 이용해 결정상 ABCA-tetralayer 그래핀에서 스핀-궤도 커플링을 유도한다.
• 수송 측정 및 홀 저항의 양자화로 강자성/Chern 절연 상태를 식별한다.
• 수직 변위 필드의 함수로 층-반강자성, Chern 절연체, 층-편극 절연체 간의 전이를 특성화한다.
• 자계, 전기 도핑, 그리고 변위 필드를 통해 Chern 절연체의 자기 질서를 스위치 가능함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근접성으로 유도된 스핀-오비 커플링이 ABCA-tetralayer 그래핀에서 charge neutrality에서 강자성의 Chern 절연 결정을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 관찰된 절연 상태와 관련된 홀 저항 양자화 값과 Chern 수는 무엇인가?
• RQ3 수직 변위 필드, 자기장, 캐리어 밀도가 층-반강자성, Chern 절연체, 층-편극 절연체 사이의 전이를 어떻게 조정하는가?

주요 결과

• WSe2로부터의 근접 유도 스핀-오비 커플링에 의해 자성 중성 ABCA-tetralayer 그래핀이 강자성 상태를 실현한다.
• 그 강자성 상태는 Chern 수 4의 Chern 절연체로 식별된다.
• 홀 저항은 제로 필드에서 h/4e2의 78% 양자화, 0.4 T에서 100% 양자화에 도달한다.
• 세 가지 깨진 대칭 절연 상태(층-반강자성, Chern 절연체, 층-편극 절연체)는 수직 변위 필드에 의해 연속적으로 조정 가능하다.
• Chern 절연체의 자무질서는 자기장, 전기 도핑, 수직 변위 필드에 의해 스위치될 수 있다.