哈佛大学/加州大学伯克利分校Phys. Rev. Lett.: 菱方多层石墨烯中的反常霍尔晶体

2024年11月12日，Phys. Rev. Lett.在线发表了哈佛大学和加州大学伯克利分校的研究论文，题目为《Anomalous Hall Crystals in Rhombohedral Multilayer Graphene. I. Interaction-Driven Chern Bands and Fractional Quantum Hall States at Zero Magnetic Field》，论文的第一作者为Junkai Dong、Taige Wang和Tianle Wang。

承载关联拓扑态的可调实验平台是奇异现象的沃土。近年来，出现了一系列的候选材料，包括转角石墨烯多层，转角过渡金属硫族化合物（TMD）双层和菱方多层石墨烯（RMG）。最近在具有衬底诱导莫尔势的菱方五层石墨烯上进行的实验已经确定了零磁场下的Chern绝缘体和分数量子霍尔态。令人惊讶的是，这些态是在强位移场中观察到的，其中莫尔晶格的影响很弱，似乎很容易在不进行微调的情况下获得。

在此研究中，作者构建了一个在这种几何结构中相互作用的电子模型。在自洽Hartree-Fock（SCHF）计算中发现了一个具有小带宽和良好量子几何的孤立Chern带。精确对角化和密度矩阵重整化群计算都证实了该带在没有磁场的情况下承载分数量子霍尔态。值得注意的是，在四至六个菱方层，在不同的菱方跳跃参数下，Chern带在宽角度范围内是稳定的，最引人注目的是，当莫尔势消失时，Chern带在SCHF计算中仍然存在。在这个极限下，该态自发地同时破坏了时间反演和平移对称性，形成了一种称之为“反常霍尔晶体”的拓扑晶体态。这项研究给出在菱方多层石墨烯中产生稳定Chern带的普适机制，为研究电子拓扑、分数化和自发平移对称性破缺之间的相互作用打开了大门。

图1 (a) 菱方五层石墨烯的侧视图；(b) 在零莫尔电势V₁=0下，SCHF计算中石墨烯平移对称金属和反常霍尔晶体(AHC)之间每个电子能量差随菱方五层石墨烯中u_D的变化；(c) SCHF计算N_L=4-6层具有相边界的菱方多层石墨烯相图

图2 (a, e) 莫尔菱方五层石墨烯的相图随层间电势差u_D和转角θ的变化；(b, f) 非相互作用能带结构；(c, g) ν=1处的SCHF能带结构；(d, h) AHC和“维格纳类绝缘体”(WLI)的电荷密度

图3 (a)  随着莫尔强度V₁和相位ψ的变化，ν=1时的菱方五层石墨烯在莫尔远侧(u_D=50 meV)的无特征电荷能隙；(b) 在莫尔近侧(u_D=-50 meV)也是如此；(c) 相对于u_D和莫尔远侧介电常数ϵ_r的Chern数，表明AHC在u_D~50 meV附近存在相对较弱的相互作用强度；(d) u_D=50 meV下的电荷能隙与莫尔强度V₁和电介质ϵ_r的关系

图4 (a) AHC相的能带条件随u_D的变化；(b) 在ν=2/3处4×6体系的多体能谱；(c) 在ν=2/3处得到分数Chern绝缘体(FCI)能隙随u_D的变化；(d) 在ν=2/3处L_y=8的密度矩阵重整化群(DMRG)中获得的纠缠谱

论文链接

Dong, J., Wang, T., Wang, T. et al. Anomalous Hall Crystals in Rhombohedral Multilayer Graphene. I. Interaction-Driven Chern Bands and Fractional Quantum Hall States at Zero Magnetic Field. Phys. Rev. Lett., 2024, 133, 206503. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.206503

其他相关文献

[1] Shi, Y., Xu, S., Yang, Y. et al. Electronic phase separation in multilayer rhombohedral graphite. Nature, 2020, 584, 210–214. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2568-2

[2] Zhou, H., Xie, T., Taniguchi, T. et al. Superconductivity in rhombohedral trilayer graphene. Nature, 2021, 598, 434–438. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03926-0