[论文解读] Observation of Chern insulator in crystalline ABCA-tetralayer graphene with spin-orbit coupling

Yating Sha, Jian Zheng+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2023

Graphene research and applications被引用 8

一句话总结

论文报道在电荷中性 ABCA-tetralayer graphene 中，通过近邻自旋轨道耦合（来自 WSe2）诱导的铁磁态，被识别为 Chern 数为 4 的 Chern 绝缘体，且展现量子化霍尔响应。

ABSTRACT

Degeneracies in multilayer graphene, including spin, valley, and layer degrees of freedom, are susceptible to Coulomb interactions and can result into rich broken-symmetry states. In this work, we report a ferromagnetic state in charge neutral ABCA-tetralayer graphene driven by proximity-induced spin-orbit coupling from adjacent WSe2. The ferromagnetic state is further identified as a Chern insulator with Chern number of 4, and its Hall resistance reaches 78% and 100% quantization of h/4e2 at zero and 0.4 tesla, respectively. Three broken-symmetry insulating states, layer-antiferromagnet, Chern insulator and layer-polarized insulator and their transitions can be continuously tuned by the vertical displacement field. Remarkably, the magnetic order of the Chern insulator can be switched by three knobs, including magnetic field, electrical doping, and vertical displacement field.

研究动机与目标

• 推动在多层石墨烯中研究自旋轨道耦合近邻诱导的相互作用驱动的对称破缺态。
• 在电荷中性条件下，展示 ABCA-tetralayer graphene 中的铁磁性、Chern-绝缘相。
• 通过垂直位移场和外部参数，显示对不同绝缘相的可控性。

提出的方法

• 在靠近 WSe2 的晶体 ABCA-tetralayer graphene 中引入自旋轨道耦合。
• 通过传输测量和霍尔电阻量子化来识别铁磁/ Chern-绝缘态。
• 在垂直位移场的函数下，表征层-反铁磁、Chern 绝缘体、层极化绝缘体之间的相变。
• 展示通过磁场、电掺杂和垂直位移场实现对 Chern 绝缘体磁有序的切换。

实验结果

研究问题

• RQ1 近邻诱导的自旋轨道耦合是否能在电荷中性时稳定 ABCA-tetralayer graphene 的铁磁性、Chern-绝缘相？
• RQ2 观察到的绝缘态的霍尔电阻量子化值及其对应的 Chern 数是多少？
• RQ3 垂直位移场、磁场和载流子密度如何调控层-反铁磁、Chern 绝缘体和层极化绝缘体之间的相变？

主要发现

• 通过来自 WSe2 的近邻诱导自旋轨道耦合，在电荷中性 ABCA-tetralayer graphene 中实现了铁磁态。
• 该铁磁态被识别为具有 Chern 数为 4 的 Chern 绝缘体。
• 在零场下霍尔电阻达到 h/4e^2 的 78% 量子化，在 0.4 T 时达到 100% 量子化。
• 三种对称破缺的绝缘态（层-反铁磁、Chern 绝缘体、层极化绝缘体）可通过垂直位移场连续调谐。
• Chern 绝缘体的磁有序可通过磁场、电掺杂和垂直位移场实现开关切换。