[논문 리뷰] Tunable Fractional Chern Insulators in Rhombohedral Graphene Superlattices

Jian Xie, Zihao Huo외 12명|arXiv (Cornell University)|2024. 05. 27.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 삼주기 헥사레이어 그래핀/hBN 모리 초격자에서 분수형 초전도체(FCI)를 조절 가능한 상태로 구현함을 보여주며, 외부 자기장이 없는 조건에서 ν = 2/3에서 강력한 양자화된 홀 저항을 달성한다. 전기 변위장, 수직 및 평행 자기장의 조절을 통해 시스템은 홀 저항의 부호 반전을 보이는 양자역학적 상전이를 나타내지만, FCI 상태는 모든 상에서 안정적이고 양자화된 상태를 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장이 없는 조건에서 삼주기 육층 그래핀/hBN 모리 초격자를 분수형 초전도체(FCI)를 연구할 수 있는 조절 가능한 플랫폼으로 정립하기.
• 모리 위치가 FCIs에 필수적인 평탄한 초전도 밴드를 형성하는 데 미치는 역할을 조사하기.
• 전기장 및 자기장 조건을 변화시킬 때 FCI 상태의 안정성과 조절 가능성 탐색하기.
• 홀 저항의 부호 반전을 수반하는 양자역학적 상전이를 관찰하면서도 FCI의 양자화 상태 유지 여부 확인하기.
• 외부 자기장이 없는 조건에서 다양한 위상적 상들 사이에서 강력한 양자화된 홀 저항이 유지되는지 증명하기.

제안 방법

• 정밀한 터널링 제어를 통해 평탄한 초전도 밴드를 형성하는 삼주기 육층 그래핀/hBN 모리 초격자를 제작하기.
• 이중 게이트 전기 변위장을 적용하여 캐리어 밀도와 밴드 위상 구조를 조절하기.
• 수직 및 평행 자기장을 적용하여 위상 전이와 홀 응답을 탐사하기.
• 종방향 및 홀 저항 측정을 통해 양자화된 플랫폼과 상전이를 식별하기.
• 이론적 모델링을 통해 모리 위치가 평탄한 초전도 밴드 형성에 필수적인 역할을 하는 것을 입증하기.
• 유한한 자기장 조건에서 홀 저항 부호 반전을 분석하여 양자역학적 상전이를 규명하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼주기 육층 그래핀/hBN 모리 초격자에서 외부 자기장이 없는 조건에서 분수형 초전도체가 안정화될 수 있는가?
• RQ2 전기 변위장과 자기장을 조절할 경우 FCI 상태의 안정성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 모리 위치가 FCIs에 필수적인 평탄한 초전도 밴드 형성에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ4 ν = 2/3에서 FCI 상태가 홀 저항 부호 반전을 수반하는 양자역학적 상전이를 거쳐도 유지되는가?
• RQ5 외부 자기장이 없는 조건에서 다양한 위상적 상들 사이에서도 강력한 양자화된 홀 저항이 유지되는가?

주요 결과

• 외부 자기장이 없는 조건에서 삼주기 육층 그래핀/hBN 모리 초격자에서 ν = 2/3에서 강력한 분수형 양자 이상 홀 효과가 관측되며, 이는 양자화된 홀 저항을 포함한다.
• 유한한 자기장 조건에서 홀 저항의 부호 반전을 보이며, 이는 위상 전이를 나타낸다.
• 홀 저항의 부호 반전에도 불구하고 ν = 2/3에서 FCI 상태는 두 상 모두에서 양자화되고 안정한 상태를 유지한다.
• 전기 변위장, 수직 자기장, 평행 자기장을 통해 FCI 상태의 조절이 가능하다.
• 이론적 분석을 통해 모리 위치가 FCI 상태를 지지하는 평탄한 초전도 밴드 형성에 필수적임을 확인하였다.
• 시스템은 정수 및 분수형 양자 이상 홀 효과를 모두 포함하며, 풍부한 위상 제어 능력을 보여준다.