[论文解读] Ferroelectric and anomalous quantum Hall states in bare rhombohedral trilayer graphene

Felix Winterer, Fabian R. Geisenhof+4 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2023

Graphene research and applications参考文献 49被引用 6

一句话总结

本研究为无帽三堆垛菱面体三层石墨烯中预测的五种自发量子霍尔态中的四种提供了实验输运证据，分别在较高和较低电场下观测到陈数为3和6的量子霍尔态，且表现出清晰的磁滞和电滞行为。研究揭示了零场量子霍尔铁磁体同时具有铁电性，表现出自发层极化，凸显了在一种简单、基本的材料体系中丰富的关联电子物理行为。

ABSTRACT

Nontrivial interacting phases can emerge in elementary materials. As a prime example, continuing advances in device quality have facilitated the observation of a variety of spontaneous quantum Hall-like states, a cascade of Stoner-like magnets, and an unconventional superconductor in bilayer graphene. Its natural extension, rhombohedral trilayer graphene is predicted to be even more susceptible to interactions given its even flatter low-energy bands and larger winding number. Theoretically, five spontaneous quantum Hall phases have been proposed to be candidate ground states. Here, we provide transport evidence for observing four of the five competing ordered states in interaction-maximized, dually-gated, rhombohedral trilayer graphene. In particular, at vanishing but finite magnetic fields, two states with Chern numbers 3 and 6 can be stabilized at elevated and low electric fields, respectively, and both exhibit clear magnetic hysteresis. We also reveal that the quantum Hall ferromagnets of the zeroth Landau level are ferroelectrics with spontaneous layer polarizations even at zero electric field, as evidenced by electric hysteresis. Our findings exemplify the possible birth of rich interacting electron physics in a simple elementary material.

研究动机与目标

• 研究由于增强电子相互作用而在菱面体三堆垛石墨烯中出现强关联量子相的机制。
• 在具有平带的高质量双栅场效应器件中，识别并表征竞争有序态。
• 确定零阶 Landau 能级中的量子霍尔铁磁体是否表现出自发层极化，以揭示铁电序。
• 探索在一种简单、元素型二维体系中，拓扑序、磁性与铁电性之间的相互作用。

提出的方法

• 制备高质量、双栅场效应、hBN封装的菱面体三堆垛石墨烯器件。
• 施加垂直磁场和双栅电场，以调节载流子密度和能带结构。
• 测量纵向电阻率和霍尔电阻率，以探测量子化平台和磁滞特征。
• 通过磁场扫掠和电场循环，探测量子霍尔态的稳定性和磁滞行为。
• 通过量子化霍尔电导分析陈数赋值，并与理论预测进行比较。
• 通过在无外加电场下观测电场磁滞行为，识别铁电序。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同电场和磁场条件下，菱面体三堆垛石墨烯中能否稳定多种竞争性量子霍尔态？
• RQ2 零阶 Landau 能级中的量子霍尔铁磁体是否表现出自发层极化，表明其具有本征铁电性？
• RQ3 所观测到的量子霍尔态的陈数是多少？其如何依赖于电场和磁场？
• RQ4 磁滞和电滞行为特征如何揭示简并对称性破缺基态的本质？
• RQ5 一种简单、基本的二维材料在多大程度上可容纳复杂关联相，包括拓扑序、磁性与铁电性？

主要发现

• 在菱面体三堆垛石墨烯中观测到了五种预测自发量子霍尔态中的四种，其中陈数3和6分别在较高和较低电场下稳定存在。
• 在陈数为3和6的态中均观测到清晰的磁滞行为，表明具有鲁棒的对称性破缺序。
• 零阶 Landau 能级中的量子霍尔铁磁体即使在零外加电场下也表现出电滞行为，证实了自发层极化和铁电序的存在。
• 铁电序与拓扑量子霍尔态共存，表明时间反演对称性、手性对称性和层对称性同时被破缺。
• 该体系展现出丰富的相图，包含竞争性序，如拓扑态、磁性态和铁电态，所有这些态均可通过电场和磁场调控。
• 结果表明，一种简单、基本的二维材料可在无外部掺杂或复杂异质结构的情况下，实现复杂关联电子现象的共存。