[论文解读] Emergence of Topologically Protected Helical States in Minimally Twisted Bilayer Graphene.

Shengqiang Huang, Kyounghwan Kim+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2018

Chemical and Physical Properties of Materials被引用 6

一句话总结

本文展示了在最小扭转双层石墨烯中拓扑保护螺旋（TPH）边缘态的出现，其中AB和BA堆叠区域形成的莫尔条纹图案构成畴壁。通过扫描隧道谱学，作者仅在AB和BA区域均带隙化时观察到双线状TPH态，确立了一种灵活、可设计的方法，用于构建TPH态网络，具有应用于拓扑量子器件的潜力。

ABSTRACT

Bilayer graphene samples in which inversion symmetry is broken have quantum valley Hall ground states that support counterpropogating topologically protected helical (TPH) edge states localized along domain walls between AB and BA stacking regions. Moreover, a moir\'e pattern consisting of AB and BA stacking regions separated by a grid of domain walls, forms in bilayer graphene when a small twist-angle is applied between the layers. We fabricate designer moir\'e crystals with wavelengths longer than 50 nm and demonstrate the emergence of TPH states on the domain wall network by scanning tunneling spectroscopy measurements. We observe a double-line profile of the TPH states on the domain walls, only occurring when the AB and BA regions are gapped. Our results demonstrate a practical and flexible method for TPH state network construction.

研究动机与目标

• 探索在破坏镜像对称性的双层石墨烯中拓扑保护螺旋（TPH）边缘态的出现。
• 研究由小扭转角形成的莫尔条纹图案如何在AB和BA堆叠区域之间的畴壁上容纳TPH态。
• 开发一种实用且灵活的方法，利用具有长周期超晶格的可设计莫尔晶格构建TPH态网络。

提出的方法

• 制备在扭转角诱导下形成周期性AB/BA堆叠区域及畴壁的可设计莫尔晶格双层石墨烯。
• 利用扫描隧道谱学（STS）探测畴壁上的电子态。
• 通过设计周期超过50 nm的长周期莫尔超晶格，实现对TPH边缘态的隔离与分辨。
• 测量局域态密度以识别仅在AB和BA区域均带隙化时出现的双线状TPH特征。
• 将STS数据与破坏镜像对称性系统中量子谷霍尔态的理论预期进行比较。
• 通过控制堆叠区域和能带带隙，确认TPH态出现的条件性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有AB和BA堆叠区域莫尔条纹图案的最小扭转双层石墨烯中，拓扑保护螺旋边缘态能否出现？
• RQ2 AB和BA区域中的能带带隙在畴壁上形成TPH态的过程中起什么作用？
• RQ3 莫尔超晶格的空间周期性如何影响TPH态的观测与结构？
• RQ4 能否通过在双层石墨烯中控制堆叠和栅压，实现并稳定TPH态网络？
• RQ5 何种实验特征可表征局域电子结构中TPH态的存在？

主要发现

• 在最小扭转双层石墨烯中，拓扑保护螺旋（TPH）边缘态在AB和BA堆叠区域之间的畴壁上出现。
• 在畴壁上观察到扫描隧道谱信号的双线状特征，证实了TPH态的存在。
• 双线状特征仅在AB和BA区域均带隙化时出现，表明两种堆叠区域均需打开能带带隙。
• TPH态局域在周期长于50 nm的莫尔超晶格形成的畴壁网络上。
• 结果展示了一种实用且灵活的方法，可用于利用可设计莫尔晶格构建TPH态网络。
• 研究结果为在二维范德华异质结构中工程化稳定、拓扑保护的电子态提供了新路径。