[论文解读] Data for: Superconductivity and quantized anomalous Hall effects in rhombohedral graphene

Youngjoon Choi, Ysun Choi+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2024

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究在hBN对齐的菱面体四层石墨烯中实现了零磁场下的超导性与量化反常霍尔（QAH）态的共存，且可通过电门调控。在ν = −1时，出现具有陈数C = −4的稳健QAH态，而超导性则出现在ν ≈ −3.5；两者均在低无序环境中稳定存在，实现了非易失性手性开关及与分数电荷边缘模式的近邻耦合。

ABSTRACT

Data files for manuscript "Superconductivity and quantized anomalous Hall effects in rhombohedral graphene."

研究动机与目标

• 在零磁场下，于低无序二维系统中实现超导性与量化反常霍尔（QAH）态的共存。
• 通过使用本征平坦能带材料，克服传统超导体-拓扑态异质结构中的界面无序问题。
• 展示QAH态中可通过门电压实现可重构的非易失性手性开关，以构建可重构的拓扑边缘模式网络。
• 识别并表征同一系统中在ν = 2/3处的拓扑有序分数陈绝缘体。
• 探索过渡金属二硫属化物（TMD）盖层对菱面体石墨烯异质结构中超导与拓扑态的影响。

提出的方法

• 采用hBN对齐的菱面体四层石墨烯（ABCA堆叠）以最小化无序，并实现强电子关联效应。
• 利用双门电场调控（通过石墨背栅和hBN顶栅）控制载流子密度（ne）与莫尔超晶格势（D）。
• 在磁场（Bz）与低温（低至15 mK）下测量纵向（Rxx）与霍尔（Rxy）电阻，以识别量化输运与超导转变。
• 通过电容法进行热力学压缩率测量，以提取陈数并识别ν = 1、2/3与−1处的不可压缩态。
• 应用Streda公式（C = Φ₀ / Auc · dν/dB）从压缩率的磁场依赖性中提取陈数。
• 将过渡金属二硫属化物（TMD）层集成到异质结构中，以成核新的超导口袋，同时保持拓扑QAH态的完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 本征超导性与量化反常霍尔态是否可在单一二维异质结构中于零磁场下共存？
• RQ2 门电压是否可诱导QAH态中的非易失性手性开关，从而实现可重构的拓扑边缘模式？
• RQ3 该系统是否在ν = 2/3处存在拓扑有序的分数陈绝缘体，且可在无外部磁场下稳定存在？
• RQ4 TMD层的引入如何影响菱面体石墨烯的超导与拓扑性质？
• RQ5 在无输运量化的情况下，热力学压缩率测量是否可解析拓扑序与不可压缩态的陈数？

主要发现

• 在ν = −1处观测到稳健的量化反常霍尔态，陈数C = −4.0 ± 0.1，由霍尔电阻在h/4e²处的量子化及压缩率测量结果证实。
• 在ν ≈ −3.5处出现零磁场超导性，表现为电阻降至接近零，且临界磁场抑制行为与BCS理论一致。
• QAH态表现出通过门电压实现的非易失性手性开关，Rxy的滞后回线显示在多次循环中h/4e²处的稳定量子化。
• 通过压缩率测量识别出ν = 2/3处的拓扑有序分数陈绝缘体，陈数C = 0.64 ± 0.03，与预期分数值一致。
• TMD层的引入成核了新的超导口袋，同时保持了ν = −1处QAH态的拓扑特性，该结果由输运与压缩率数据证实。
• 在三个独立器件（A、B与C）中均观测到可重复的超导与QAH态特征，其填充因子与临界参数几乎完全相同。