[论文解读] Symmetry-broken Chern insulators in twisted double bilayer graphene

Minhao He, Jiaqi Cai+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 49被引用 7

一句话总结

本研究在窄范围扭角（约1.33°–1.39°）的扭曲双层双层石墨烯（tDBG）中识别出对称性破缺的陈绝缘体（SBCI）态，通过零磁场下的量子化反常霍尔效应证明了自发时间反演对称性破缺。该工作建立了关联与拓扑态随扭角和位移场变化的相图，揭示了在约1.34°的最优扭角附近存在对称性破缺态的层级结构。

ABSTRACT

Twisted double bilayer graphene (tDBG) has emerged as an especially rich platform for studying strongly correlated and topological states of matter. The material features moiré bands that can be continuously deformed by both perpendicular displacement field and twist angle. Here, we construct a phase diagram representing of the correlated and topological states as a function of these parameters, based on measurements on over a dozen tDBG devices encompassing the two distinct stacking configurations in which the constituent Bernal bilayer graphene sheets are rotated either slightly away from 0° or 60°. We find a hierarchy of symmetry-broken states that emerge sequentially as the twist angle approaches an apparent optimal value of $θ\approx$ 1.34°. Among them, we discover a sequence of symmetry-broken Chern insulator (SBCI) states that arise only within a narrow range of twist angles ($\approx$ 1.33° to 1.39°). We observe an associated anomalous Hall effect at zero field in all samples supporting SBCI states, indicating spontaneous time-reversal symmetry breaking and possible moiré unit cell enlargement at zero magnetic field.

研究动机与目标

• 探索扭曲双层双层石墨烯（tDBG）中强关联与拓扑态随扭角和位移场变化的出现机制。
• 在不同堆叠构型下识别并表征对称性破缺的陈绝缘体（SBCI）态。
• 建立一个全面的相图，将莫尔能带工程与关联和拓扑相联系起来。
• 研究对称性破缺在无外磁场条件下实现拓扑序的作用。
• 探究在二维范德华异质结中自发时间反演对称性破缺发生的条件。

提出的方法

• 制备了十余个具有两种不同堆叠构型的tDBG器件：接近0°和接近60°的扭角。
• 施加垂直位移场并调节扭角，以连续调控莫尔能带结构。
• 测量电输运特性，包括霍尔电阻率，以检测量子化反常霍尔态。
• 通过系统调节扭角和位移场，分析关联态的演化。
• 利用朗道能级光谱和对称性分析，识别莫尔原胞扩大的特征。
• 将实验观测与陈绝缘体行为及时间反演对称性破缺的理论预期进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在扭曲双层双层石墨烯中，随扭角和位移场变化，哪些拓扑与关联态会涌现？
• RQ2 对称性破缺的陈绝缘体态在何种扭角范围内出现，其稳定机制是什么？
• RQ3 在tDBG中，是否可在无外磁场条件下观测到自发时间反演对称性破缺？
• RQ4 堆叠构型（接近0°与60°）如何影响对称性破缺态的层级结构？
• RQ5 莫尔能带结构、对称性破缺与量子化反常霍尔效应的出现之间存在何种关系？

主要发现

• 对称性破缺的陈绝缘体（SBCI）态仅在约1.33°至1.39°的窄扭角范围内出现。
• 所有表现出SBCI态的样品均在零磁场下观测到反常霍尔效应，表明存在自发时间反演对称性破缺。
• SBCI态形成的最优扭角约为1.34°，随着扭角趋近该值，清晰地呈现出对称性破缺态的层级结构。
• SBCI态由扭角与位移场调控的莫尔能带工程共同稳定。
• 零磁场下的反常霍尔效应及对称性破缺特征，暗示可能存在莫尔原胞扩大。
• 相图揭示了一连串丰富的关联与拓扑态，SBCI态在相图中表现为一个独特且狭窄的相。