(纯计算)约翰·霍普金斯大学Phys. Rev. Lett.: 菱方多层石墨烯中的分数量子反常霍尔效应

2024年11月12日，Phys. Rev. Lett.在线发表了约翰·霍普金斯大学Fractional Quantum Anomalous Hall Effect in Rhombohedral Multilayer Graphene in the Moiréless Limit》，论文的第一作者为Boran Zhou。

通过在晶格上分数填充窄的Chern带来实现分数量子霍尔态已经有了许多研究。这种态被称为分数Chern绝缘体（FCI）。分数Chern绝缘体已在非零磁场下通过实验实现。分数量子反常霍尔（FQAH）效应相，即零磁场下的分数Chern绝缘体更具挑战性。有人提出二维莫尔体系是承载近乎平坦Chern带和自发谷极化后FQAH态的理想平台。石墨烯体系中也讨论了FQAH效应的可能性，但到目前为止只报道了与六方氮化硼（hBN）对齐的五层（5层）菱方堆叠石墨烯，这实际上是令人惊讶的，理论上也是出乎意料的。

在此研究中，作者对最近在与六方氮化硼对齐的五层菱方堆叠石墨烯中观察到的FQAH效应提出了质疑。研究证明，在一个具有连续平移对称性的模型中，外部莫尔超晶格势只是一个简单的微扰。通过Hartree-Fock计算发现相互作用打开了一个相当大的远程带隙，导致在填充v=1处出现一个孤立的窄C=1 Chern带。通过精确对角化，确定了不同填充处的FQAH相。然而，FQAH态也存在于没有任何外部莫尔势的计算中。

作者认为在v=1处的量子反常霍尔（QAH）绝缘体应被视为具有QAH效应的相互作用驱动的拓扑维格纳晶体，该晶体随后被一个小的莫尔势钉扎。C=1 QAH晶体是鲁棒的，在4层、5层、6层和7层石墨烯体系中的晶体周期约为10 nm。这项研究工作为探索拓扑结构和FQAH之间的相互作用以及在消失的莫尔势极限下自发晶体形成提供了一个新的方向。同时还提出了一种新的体系，通过库仑相互作用从另一个控制层产生和控制蜂窝和三角形莫尔超晶格势，该体系可以根据控制层的密度稳定或抑制QAH晶体。

图1 θ=0.77° (a_M=11.36 nm)，ϵ=6，D=-160 meV时5层石墨烯/hBN体系的数值结果

图2 θ=0.9° (a_M=10.63 nm)

图3 5层石墨烯/hBN体系在ν=1，ϵ=6，D=-160 meV时的密度分布ρ(r)

图4 (a) n层石墨烯/hBN/TBG装置示意图；(b) 第一层和第五层石墨烯中莫尔势V_M的依赖性；(c) d=1.5 nm时远端层莫尔势V_M的填充依赖性

论文链接

Zhou, B., Yang, H. & Zhang, Y. Fractional Quantum Anomalous Hall Effect in Rhombohedral Multilayer Graphene in the Moiréless Limit. Phys. Rev. Lett., 2024, 133, 206504. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.206504

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