[论文解读] Quantum Hall phase in graphene engineered by interfacial charge coupling

Yaning Wang, Xiang Gao+19 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2021

Graphene research and applications被引用 5

一句话总结

本研究在石墨烯与反铁磁绝缘体CrOCl界面处揭示了一种类量子霍尔相，其中界面电荷耦合诱导出位移场（D）与磁场（B）之间的门控可调、抛物线依赖关系，即使在零磁场下也能实现朗道能级量子化。该效应在0–10¹³ cm⁻²的广泛掺杂范围内可维持至100 K，揭示了通过界面耦合工程化拓扑量子态的新途径。

ABSTRACT

Quantum Hall effect (QHE), the ground to construct modern conceptual electronic systems with emerging physics, is often much influenced by the interplay between the host two-dimensional electron gases and the substrate, sometimes predicted to exhibit exotic topological states. Yet the understanding of the underlying physics and the controllable engineering of this paradigm of interaction remain challenging. Here we demonstrate the observation of an unusual QHE, which differs markedly from the known picture, in graphene samples in contact with an anti-ferromagnetic insulator CrOCl equipped with dual gates. Owing to the peculiar interfacial coupling, Landau levels in monolayer graphene remain intact at negative filling fractions, but largely deviated for the positive gate-doping range. The latter QHE phase even presents in the limit of zero magnetic field, with the consequential Landau quantization following a parabolic relation between the displacement field $D$ and the magnetic field $B$. This characteristic prevails up to 100 K in a sufficiently wide effective doping range from 0 to 10$^{13}$ cm$^{-2}$. Our findings thus open up new routes for manipulating the quantum electronic states, which may find applications in such as quantum metrology.

研究动机与目标

• 探究石墨烯与反铁磁绝缘体之间界面电荷耦合在调控量子霍尔物理中的作用。
• 研究CrOCl（一种反铁磁绝缘体）是否能在封装石墨烯中诱导出奇异的拓扑量子相。
• 通过双栅调控与界面耦合，实现并控制石墨烯中朗道能级的量子化。
• 确定在不同温度、掺杂和磁场条件下所观测到的量子霍尔相的稳定性与鲁棒性。

提出的方法

• 采用干法转移技术制备双栅石墨烯异质结构，使用六方氮化硼（h-BN）和CrOCl封装石墨烯。
• 利用BlueFors LD250低温恒温器与Quantum Design PPMS系统，在毫开尔文温度下进行低温电输运测量。
• 通过双栅场效应测量调控总载流子密度（n_tot）与位移场（D），在B–D–n_tot空间中绘制相图。
• 采用原子力显微镜与扫描隧道显微镜（STM）表征表面形貌与界面结构。
• 采用GGA+U与DFT+D2修正的密度泛函理论（DFT）计算，模拟CrOCl与石墨烯的电子结构及界面电荷序。
• 构建低能有效模型，解释观测到的抛物线B–D依赖关系及其源于长波长电荷序与能带重构的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 反铁磁绝缘体（如CrOCl）的界面电荷耦合是否能在石墨烯中诱导出新的量子霍尔相？
• RQ2 在无外加磁场条件下，观测到的磁场（B）与位移场（D）之间抛物线关系的物理起源是什么？
• RQ3 在强界面耦合下，双栅调控如何影响朗道能级结构？
• RQ4 该新型量子霍尔相在温度与掺杂变化下的鲁棒性如何？
• RQ5 CrOCl中的长波长电荷序与石墨烯中的能带重构在实现该相中起什么作用？

主要发现

• 在石墨烯/CrOCl异质结中出现一种新型量子霍尔相，其特征为磁场（B）与位移场（D）之间存在抛物线依赖关系，即使在零磁场下亦可实现。
• 该相在0至10¹³ cm⁻²的广泛掺杂范围内可维持至100 K，表明其具有优异的热稳定性和掺杂鲁棒性。
• 在正栅压下强界面耦合作用下，朗道能级扇形图从传统的扇形图案转变为级联状结构。
• DFT计算表明，CrOCl中的长波长电荷序及随后在石墨烯中引发的能带重构是该相的物理起源。
• 该相由强界面耦合稳定，其效应在正栅压与低温条件下最为显著。
• 所观测效应仅通过电场即可完全调控朗道量子化，为拓扑量子态工程开辟了新路径。