[论文解读] Tunable Fractional Chern Insulators in Rhombohedral Graphene Superlattices

Jian Xie, Zihao Huo+12 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2024

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本研究在菱面体六层石墨烯/hBN莫尔超晶格中展示了可调谐的分数陈绝缘体（FCIs），在零磁场下实现了ν = 2/3处稳健的量子化霍尔电阻率。通过调节电位移场、垂直磁场和面内磁场，该系统表现出霍尔电阻率符号反转的量子相变，而FCI态在各相中均保持稳定且量子化。

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.

研究动机与目标

• 建立菱面体六层石墨烯/hBN莫尔超晶格作为在零磁场下研究分数陈绝缘体（FCIs）的可调平台。
• 探究莫尔势在形成FCIs所必需的平坦陈能带中的作用。
• 研究在不同电场和磁场条件下FCI态的稳定性和可调性。
• 观察霍尔电阻率符号反转的量子相变，同时保持FCI的量子化。
• 展示在无外加磁场条件下，不同拓扑相之间出现稳健的分数量子反常霍尔效应并保持量子化电阻率。

提出的方法

• 通过精确的扭转控制制备菱面体六层石墨烯/hBN莫尔超晶格，以设计平坦陈能带。
• 应用双栅电位移场调节载流子密度和能带拓扑。
• 施加垂直和面内磁场以探测拓扑相变和霍尔响应。
• 测量纵向和霍尔电阻率以识别量子化平台和相变。
• 理论建模以证明莫尔势在形成平坦陈能带中的不可或缺作用。
• 分析有限磁场下霍尔电阻率符号反转，以识别量子相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在零磁场下，能否在菱面体六层石墨烯/hBN莫尔超晶格中稳定分数陈绝缘体？
• RQ2 调节电位移场和磁场如何影响FCI态的稳定性？
• RQ3 莫尔势在形成FCIs所必需的平坦陈能带中起什么作用？
• RQ4 在霍尔电阻率符号反转的量子相变过程中，ν = 2/3处的FCI态是否仍能保持稳定？
• RQ5 在无外加磁场条件下，能否在不同拓扑相之间维持稳健的量子化霍尔电阻率？

主要发现

• 在零磁场下，菱面体六层石墨烯/hBN莫尔超晶格中观察到ν = 2/3处稳健的分数量子反常霍尔效应，其霍尔电阻率呈量子化。
• 在有限磁场下，系统表现出霍尔电阻率符号反转的量子相变，表明发生了拓扑转变。
• 尽管霍尔电阻率符号发生反转，ν = 2/3处的FCI态在两个相中均保持量子化且稳定。
• 通过电位移场、垂直磁场和面内磁场实现了FCI态的可调性。
• 理论分析证实，莫尔势对形成支持FCI态的平坦陈能带至关重要。
• 该系统同时表现出整数量子反常霍尔效应和分数量子反常霍尔效应，展示了丰富的拓扑相调控能力。