石墨烯/氮化硼莫尔超晶格中的扩展量子反常霍尔态

2025-01-26 Sun
石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格中的扩展量子反常霍尔态学术背景近年来，拓扑平带中的电子行为引起了凝聚态物理领域的广泛关注。拓扑平带中的电子在强关联效应下可以形成新的拓扑态，这些态在零磁场下表现出量子反常霍尔效应（Quantum Anomalous Hall Effect, QAHE）。特别是，多层石墨烯与六方氮化硼（hBN）形成的莫尔超晶格系统为研究这些拓扑态提供了理想的平台。此前的研究表明，五层菱面体石墨烯（rhombohedral graphene, RG）与hBN的莫尔超晶格在约400毫开尔文的温度下表现出分数量子反常霍尔效应（Fractional Quantum Anomalous Hall Effect, FQAHE），这引发了关于其机制和莫尔效应作用的广泛讨论。
然而，关于这些拓扑态的形成机制及其在更低温下的行为仍存在许多未解之谜。特别是，莫尔势对电子行为的影响以及单粒子图像中孤立莫尔子带的缺失使得这一系统的研究更具挑战性。因此，研究团队旨在通过极低温下的电输运测量，探索RG/hBN莫尔超晶格中的新拓扑态，并揭示其背后的物理机制。
论文来源这篇论文由来自麻省理工学院（MIT）、佛罗里达州立大学（Florida State University）以及日本国立材料科学研究所（National Institute for Materials Science, NIMS）的研究团队共同完成。主要作者包括Zhengguang Lu、Tonghang Han、Yuxuan Yao等。论文于2024年发表在《Nature》期刊上，题为“Extended quantum anomalous hall states in graphene/hBN moiré superlattices”。
研究流程与结果1. 实验设计与设备制备研究团队设计并制备了多层石墨烯/hBN莫尔超晶格器件，包括五层和四层石墨烯器件。器件的制备过程包括以下几个关键步骤：
石墨烯堆叠与成像：使用红外成像技术（基于InGaAs相机）和拉曼光谱技术，研究团队能够快速筛选出具有菱面体堆叠顺序的石墨烯薄片。这种堆叠顺序对于形成拓扑平带至关重要。
器件组装：将筛选出的石墨烯薄片与hBN层堆叠，形成莫尔超晶格结构。通过电子束光刻和反应离子刻蚀技术，将器件加工成霍尔条结构，并沉积Cr/Au电极以实现电学测量。
低温测量：器件在Bluefors LD250稀释制冷机中进行测量，电子温度可低至40毫开尔文以下。使用锁相放大器测量纵向电阻（Rxx）和霍尔电阻（Rxy），并通过施加直流和交流电流来研究器件的输运特性。
2. 电输运测量与结果研究团队在极低温下对五层和四层石墨烯/hBN莫尔超晶格器件进行了系统的电输运测量，主要结果如下：
分数量子反常霍尔效应（FQAHE）：在五层器件中，研究团队观察到了多个分数填充因子（如v=2/5、3/7、4/9等）下的FQAHE态。这些态在10毫开尔文的温度下仍然稳定存在，且Rxx值比之前报道的更低。在四层器件中，研究团队首次观察到了v=3/5和2/3填充因子下的FQAHE态。
扩展量子反常霍尔态（EQAH）：在极低温和小电流条件下，研究团队发现了一种新的拓扑态，称为扩展量子反常霍尔态（Extended Quantum Anomalous Hall State, EQAH）。这种态在v=0.5到1.3的宽范围内表现出量子化的霍尔电阻（Rxy=h/e2）和消失的纵向电阻（Rxx）。随着温度或电流的增加，EQAH态逐渐消失，并部分转变为FQAHE液体态。
位移场诱导的量子相变：通过调节位移场（displacement field, D），研究团队观察到了从EQAH态到费米液体（Fermi Liquid, FL）、FQAHE液体以及可能的复合费米液体（Composite Fermi Liquid, CFL）的量子相变。这些相变揭示了RG/hBN莫尔超晶格中丰富的量子现象。
3. 数据分析与理论解释研究团队通过对称化和反对称化处理数据，提取了零磁场下的Rxx和Rxy值。他们还通过Landau fan图分析了器件的能带结构，并验证了FQAHE和EQAH态的拓扑性质。理论计算表明，EQAH态可能类似于量子反常霍尔晶体（Quantum Anomalous Hall Crystal, QAHC）或重入量子霍尔绝缘体（Re-entrant Quantum Hall Insulator）态。
结论与意义这项研究首次在零磁场下观察到了扩展量子反常霍尔态（EQAH），并揭示了其在多层石墨烯/hBN莫尔超晶格中的普遍性。EQAH态的发现不仅丰富了拓扑平带材料中的量子现象，还为研究强关联电子系统中的拓扑态提供了新的平台。此外，研究团队通过位移场和温度调控，展示了从EQAH态到其他量子相的相变，这为进一步探索拓扑量子态的形成机制和应用潜力奠定了基础。
研究亮点新拓扑态的发现：首次在零磁场下观察到了扩展量子反常霍尔态（EQAH），并揭示了其在宽填充因子范围内的普遍性。
极低温下的精确测量：通过改进的滤波器和稀释制冷技术，研究团队实现了低于40毫开尔文的电子温度，为观察新拓扑态提供了必要条件。
位移场调控的量子相变：通过调节位移场，研究团队展示了从EQAH态到费米液体、FQAHE液体和复合费米液体的相变，揭示了RG/hBN莫尔超晶格中丰富的量子现象。
理论与实验的结合：研究团队通过理论计算和实验数据的对比，提出了EQAH态可能类似于量子反常霍尔晶体或重入量子霍尔绝缘体态的解释，为未来的理论研究提供了新的方向。
其他有价值的信息研究团队还开发了一种基于InGaAs相机的红外成像技术，用于快速筛选具有特定堆叠顺序的石墨烯薄片。这一技术不仅提高了器件制备的效率，还为研究其他二维材料中的堆叠顺序提供了新的工具。
这项研究为理解拓扑平带中的强关联电子行为提供了重要的实验证据，并为未来探索拓扑量子态的应用潜力开辟了新的道路。