[论文解读] Large Quantum Anomalous Hall Effect in Spin-Orbit Proximitized Rhombohedral Graphene

Tonghang Han, Zhengguang Lu+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2023

Graphene research and applications参考文献 40被引用 8

一句话总结

展示 rhombohedral pentalayer graphene/WS2 中在没有磁性元件或莫尔图模式下实现的大规模量子反常霍尔效应，利用来自自旋轨道近邻化的伊辛自旋轨道耦合和电子相关性，在电荷中性点达到 C = ±5 的 QAHE 状态，温度可达约 1.5 K。

ABSTRACT

The quantum anomalous Hall effect (QAHE) is a robust topological phenomenon featuring quantized Hall resistance at zero magnetic field. We report the QAHE in a rhombohedral pentalayer graphene/monolayer WS2 heterostructure. Distinct from other experimentally confirmed QAHE systems, this system has neither magnetic element nor moiré superlattice effect. The QAH states emerge at charge neutrality and feature Chern numbers C = +-5 at temperatures up to about 1.5 K. This large QAHE arises from the synergy of the electron correlation in intrinsic flat bands of pentalayer graphene, the gate-tuning effect, and the proximity-induced Ising spin-orbit-coupling. Our experiment demonstrates the potential of crystalline two-dimensional materials for intertwined electron correlation and band topology physics, and may enable a route for engineering chiral Majorana edge states.

研究动机与目标

• 在没有磁性元件或莫尔超晶格的情况下，探索在 rhombohedral 图形异质结构中实现 QAHE 的可能性。
• 利用固有平带相关效应和栅极可控性在电荷中性点诱导拓扑态。
• 研究来自 WS2 的近邻诱导伊辛自旋轨道耦合在稳定大 Chern 数 QAHE 中的作用。

提出的方法

• 在 monolayer WS2 上方制作 rhombohedral pentalayer 图层以引入自旋轨道近邻效应。
• 在电荷中性点表征量子反常霍尔态并测量 Chern 数 C = ±5。
• 通过栅极调控来控制电子结构并在平带中增强相关效应。
• 分析电子相关性、平带物理与自旋轨道耦合的相互作用以实现 QAHE。
• 与缺乏磁性元件或莫尔超晶格的体系进行比较，以突出此新机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在没有磁性元件或莫尔模式的 rhombohedral 图形异质结构中实现大 Chern 数的 QAHE？
• RQ2 近邻诱导的伊辛自旋轨道耦合在稳定相关平带中的高 Chern 数 QAHE 中起到怎样的作用？
• RQ3 在该体系中可观察到 C = ±5 的 QAHE 的温度与载流子密度范围是？
• RQ4 栅极调控与固有电子相关性如何共同作用以在电荷中性点产生稳健的拓扑态？

主要发现

• 在 rhombohedral pentalayer graphene/WS2 异质结构的电荷中性点观测到 C = ±5 的 QAHE。
• 在没有磁性元件和没有莫尔超晶格效应的情况下出现大规模 QAHE。
• 近邻诱导的伊辛自旋轨道耦合与固有平带中的电子相关性共同促成所观测的拓扑态。
• QAHE 在约 1.5 K 的温度下仍可检测到。
• 结果展示了一种在晶体二维材料中实现手性边缘态并可能用于与单克拉相关物理相关的平台的路线。