多層石墨烯的簡并，包括自旋自由度、谷自由度和層自由度，可以通過庫侖相互作用來提高，從而形成豐富的破對稱態(tài)。

在這里，上海交通大學(xué)陳國瑞副教授等人報(bào)道了電荷中性ABCA-四層石墨烯中的鐵磁態(tài)，該態(tài)由相鄰二硒化鎢的鄰近誘導(dǎo)自旋軌道耦合驅(qū)動(dòng)。鐵磁態(tài)被確定為Chern絕緣體，Chern數(shù)為4；其最大霍爾電阻在零磁場下達(dá)到78%的量化，并在0.4或-1.5特斯拉下完全量化。三種不同的破對稱絕緣態(tài)，層反鐵磁體、Chern絕緣體和層極化絕緣體，以及它們的躍遷，可以通過垂直位移場連續(xù)調(diào)控。在該系統(tǒng)中，Chern絕緣體的磁序可以通過三個(gè)旋鈕進(jìn)行切換，包括磁場、電摻雜和垂直位移場。

相關(guān)文章以“Observation of a Chern insulator in crystalline ABCA-tetralayer graphene with spin-orbit coupling”為題發(fā)表在Science上。

菱面體堆疊的多層石墨烯在電荷中性點(diǎn)（CNP）附近表現(xiàn)出高度平坦的導(dǎo)帶和價(jià)帶，其中低能帶可以用能量-動(dòng)量色散關(guān)系的雙帶模型近似描述。因此，預(yù)計(jì)石墨烯多層膜將具有很強(qiáng)的庫侖相互作用。此外，石墨烯中的低能帶主要與動(dòng)量空間曲率相關(guān)，并表現(xiàn)出多種簡并，包括自旋、谷和層自由度。這些簡并被認(rèn)為容易受到相互作用引起的對稱性破壞效應(yīng)的影響。因此，可以預(yù)測，菱面體堆疊的多層石墨烯可以承載多種相互作用驅(qū)動(dòng)的破壞對稱狀態(tài)，包括預(yù)期的Chern絕緣體。最近在六方氮化硼（hBN）器件上成功制造高質(zhì)量菱面體堆疊多層石墨烯，為研究對稱性斷裂態(tài)提供了廣闊的機(jī)會。

當(dāng)石墨烯的層數(shù)增加到四層時(shí)，庫侖相互作用變得足夠強(qiáng)，可以自發(fā)地打破對稱性，導(dǎo)致與四種自旋谷相關(guān)的層分辨電荷分布（層偽自旋極化）。通過應(yīng)用大的垂直位移場 D，可以調(diào)控電荷分布。因此，人們預(yù)計(jì)會出現(xiàn)部分和全層電荷極化，它們分別與量子反常霍爾（QAH）和量子谷霍爾（QVH）有關(guān)。事實(shí)上，當(dāng)增加位移場時(shí)，觀察到在全層電荷極化下，從平衡層電荷極化下的LAF到層極化絕緣體，根據(jù)某些理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也稱為QVH的連續(xù)相變。然而，在部分層電荷極化下，QAH（即Chern絕緣體）在該實(shí)驗(yàn)中不存在。本文通過從鄰近的WSe₂層引入自旋軌道耦合（SOC），報(bào)道了電荷中性ABCA-4LG的鐵磁性。在將?D?調(diào)諧到LAF和LPI狀態(tài)之間的中間區(qū)域后，觀察到一個(gè)異常的霍爾滯后環(huán)，表現(xiàn)出較大的霍爾電阻。

圖1. ABCA-4LG的原理圖和傳輸。

圖2：Chern絕緣體在D=-0.1V/nm下的磁場穩(wěn)定的QAH效應(yīng)

圖3：有和沒有SOC的ABCA-4LG中CNP的破對稱態(tài)。

圖4：磁階的電氣開關(guān)。

綜上所述，本文的實(shí)驗(yàn)展示了一個(gè)基于SOC可調(diào)控層反鐵磁（LAF）實(shí)現(xiàn)Chern絕緣體狀態(tài)的系統(tǒng)。ABCA-4LG/WSe₂在一個(gè)樣品內(nèi)具有高度可調(diào)的對稱性，包括電荷、自旋、谷、層和SOC，為進(jìn)一步的研究提供了一個(gè)靈活和通用的平臺。

這種簡單的結(jié)構(gòu)也為研究拓?fù)湎嘧兒蜐撛谔剿魍負(fù)湎啵ㄈ缤負(fù)涑瑢?dǎo)體和分?jǐn)?shù)Chern絕緣體）開辟了途徑。此外，菱面體多層石墨烯中的層依賴性chern數(shù)使該系統(tǒng)成為用于多通道量子計(jì)算的高階chern絕緣體的寶貴天然晶體資源。

Yating Sha?, Jian Zheng?, Kai Liu?, Hong Du, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jinfeng Jia,

Zhiwen Shi, Ruidan Zhong, Guorui Chen*, Observation of a Chern insulator in crystalline ABCA-tetralayer graphene with spin-orbit coupling, Science. (2024).