(纯计算)麻省理工学院Phys. Rev. Lett.: 五层菱方石墨烯莫尔结构中的量子反常霍尔相理论

2024年11月12日，Phys. Rev. Lett.在线发表了麻省理工学院T. Senthil课题组的研究论文，题目为《Theory of Quantum Anomalous Hall Phases in Pentalayer Rhombohedral Graphene Moiré Structures》。

最近的实验观察到在微观上具有时间反演不变量的体系中存在分数量子霍尔效应。相应的物质态被称为分数量子反常霍尔（FQAH）相，其自发地打破了时间反演。FQAH态首先在转角MoTe₂莫尔异质结中得到证实，通过测量多体能隙的位置随密度和磁场的变化，随后在输运中得到证实。最近，在与六方氮化硼（h-BN）衬底对齐的五层菱方石墨烯（R5G）中发现了许多FQAH态。

在此研究中，作者提出了在h-BN衬底和垂直位移场存在的情况下对R5G能带结构的Hartree-Fock处理。研究确定了一系列位移场，其中存在一个相互作用诱导的第一导带，该导带与其他带隔离，带宽较小，两个石墨烯谷中每个谷的净Chern数为±1。同时提供了与实验一致的谷极化证据。在谷极化带的部分合理填充下，使用精确对角化研究显示了FQAH相的发展。研究结果为观察R5G/h-BN中的FQAH物理提供了微观基础。研究还探索了RnG/h-BN在n = 4, 6时的重整化能带结构，找到了与其他能带分离良好的近乎平坦的Chern-1能带的参数。因此，R4G/h-BN和R6G/h-BN也可能是FQAH物理的良好平台。

图1 (a) 五层菱方石墨烯(R5G)的示意图；(b) 沿k_x轴的连续R5G色散随增加层间电势差u_d (meV)的变化

图2 (a) 具有层间电势差u_d=−36 meV、相对介电常数ϵ=8的单谷R5G/h-BN的Hartree-Fock能带结构；(b) Berry曲率Ω乘以莫尔布里渊区面积A_BZ

图3 R5G/h-BN在位移场能量u_d=−20, −40 meV时的非相互作用能带结构

图4 在不同位移场能量u_d和介电常数ε下，Hartree-Fock能带表示活性带的Chern数和带宽、全局带隙和到最近导带的直接带隙

图5 Hartree-Fock确定了量子度量，并给出了痕量条件，伴随有四层、五层的占据数

图6 位移场u_d=−36 meV和相对介电常数ϵ=8时Hartree-Fock能带结构的自旋谷极化

图7 在ν=2/3处存在FQAH的证据

论文链接

Dong, Z., Patri, A.S. & Senthil, T. Theory of Quantum Anomalous Hall Phases in Pentalayer Rhombohedral Graphene Moiré Structures. Phys. Rev. Lett., 2024, 133, 206502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.206502

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