特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（米測 技術中心）
編輯丨風云
多層石墨烯中的簡并性（包括自旋、谷和層自由度）可以通過庫侖相互作用消除，從而產生豐富的破缺對稱狀態。最近在六方氮化硼（hBN）器件上成功制造高質量菱形堆疊多層石墨烯，為研究破缺對稱態提供了有希望的機會。
然而，多層石墨烯的研究仍存在以下問題：
1、多層石墨烯是研究破缺對稱狀態的理想平臺
當石墨烯的層數增加到四層時，庫侖相互作用變得足夠強，足以自發打破對稱性，從而在hBN上電荷中性ABCA四層石墨烯（ABCA-4LG）中產生與四種自旋谷相關的層分辨電荷分布，是研究破缺對稱狀態的理想平臺。
2、目前的實驗研究未實現量子反常霍爾態
最近的實驗報道了一種層狀反鐵磁（LAF）絕緣體，通過施加大的垂直位移場D，可以操縱電荷分布，預計會出現部分和全層電荷極化，這分別與量子反常霍爾（QAH）和量子谷霍爾（QVH）相關，但實驗中不存在Chern絕緣體。
有鑒于此，上海交通大學陳國瑞等人報告了電荷中性的ABCA四層石墨烯中的鐵磁狀態，該狀態由鄰近二硒化鎢的近距離誘導自旋軌道耦合驅動。鐵磁狀態被確定為Chern絕緣體，Chern數為 4；其最大霍爾電阻在零磁場下達到78% 量化，在0.4或 -1.5 特斯拉時完全量化。三種不同的破缺對稱絕緣狀態，即層反鐵磁體、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進行連續調整。在這個系統中，Chern絕緣體的磁序可以通過三個旋鈕切換，包括磁場、電摻雜和垂直位移場。
技術方案：
1、證實了ABCA-四層石墨烯與WSe2的鐵磁性
作者使用掃描近場紅外顯微鏡確認了ABCA-4LG 疇的存在，通過傳輸測量為含有 WSe2 的ABCA-4LG中的鐵磁性提供了明確的證據。
2、研究了帶有SOC的ABCA-4LG的拓撲相
作者通過探索帶有SOC的ABCA-4LG中的拓撲相，，觀察到異常霍爾信號，提供了Chern絕緣體的證據。
3、探索了對稱性破缺及其轉變
作者通過檢查對稱破缺態及其在調整帶或不帶WSe2的電荷中性 ABCA-4LG 的位移場過程中的轉變，證明了有關Chern絕緣體的存在。
4、解析了控制磁序的關鍵因素
作者解析了CNP處Chern絕緣體的磁序可以由B和n單獨控制，鐵磁性以及ABCA-4LG/WSe2中的Chern數可以通過三個旋鈕 B、n和D進行切換。
技術優勢：
1、報道了電中性ABCA-4LG中的鐵磁性
作者通過在WSe2的相鄰層中引入自旋軌道耦合( SOC )，在電中性的ABCA - 4LG中報道了鐵磁性，通過垂直位移場可以連續調諧三種不同的破對稱絕緣狀態，且可以調控Chern絕緣體的磁序。
2、提供了鐵磁態是高階Chern絕緣體的證據
當調節D到LAF和LPI態之間的中間區域時，觀察到一個反常的霍爾回滯環，在零磁場B下表現出大的霍爾電阻，對于正磁場，Rxy值迅速量化且遵循Chern數C=4的Streda公式，提供了鐵磁態是高階Chern絕緣體的證據。
技術細節
ABCA-四層石墨烯與WSe2的鐵磁性
作者使用掃描近場紅外顯微鏡確認了剝離四層石墨烯薄片中存在 ABCA-4LG 疇。通過原子力顯微鏡切割將 ABCA-4LG 疇與相鄰的 ABAB 疇隔離以保證后續制造過程中穩定堆疊。在整個制造過程中，使用聲子極化子輔助近場光學成像技術監測hBN覆蓋下ABCA-4LG的堆疊順序。在有和沒有WSe2的情況下對ABCA-4LG進行了傳輸測量，并探究了縱向電阻的磁場性慣性，為含有 WSe2 的ABCA-4LG中的鐵磁性提供了明確的證據。
圖 ABCA-4LG與WSe2的轉運示意圖
拓撲相
為了探索帶有SOC的ABCA-4LG中的拓撲相，作者進一步將樣品冷卻至T = 0.1 K，并在D= –0.1 V/nm時測量Rxy和Rxx作為 n 和 B 的函數。在存在磁場的情況下觀察到的量子霍爾態實際上是Chern數C=4 的Chern絕緣體中QAH效應的表現，作者清楚地觀察到異常霍爾信號，表現出鐵磁磁滯回線。反常霍爾信號的出現意味著時間反轉對稱性的破壞和鐵磁性的存在，這兩者都是Chern絕緣體的標志。其次，零磁場下的量子霍爾型絕緣行為表明存在交換間隙，這也與Chern絕緣體一致。
圖 Chern絕緣體和D= –0.1 V/nm時磁場穩定的QAH效應
對稱性破缺
接下來，通過檢查對稱破缺態及其在調整帶或不帶WSe2的電荷中性 ABCA-4LG 的位移場過程中的轉變，證明了有關Chern絕緣體的存在。結果表明，不含WSe2 的ABCA-4LG中的這些破缺對稱絕緣態是由ABCA-4LG固有平帶中的強庫侖相互作用驅動的，這使得時間反轉對稱性 (T )和反演對稱性(I)被破壞，同時保留谷值對稱性，導致Chern絕緣體不存在。而在具有WSe2的ABCA-4LG中，SOC 在 LAF 和 LPI 之間的中間態中起著至關重要的作用，導致Chern絕緣體態的出現。Chern絕緣體是由由鄰近感應 SOC 驅動的。除了打破時間反演對稱性和反演對稱性之外，SOC和強庫侖相互作用的相互作用還可以進一步打破Z2對稱性，驅動Chern絕緣體態的形成。
圖 帶和不帶SOC的ABCA-4LG中CNP的對稱破缺狀態
控制磁序
在帶有WSe2的ABCA-4LG中觀察到的Chern數 C=±4與菱面體多層石墨烯中部分層電荷極化的預測味道亞鐵磁 (Fi) 狀態相一致。這些態與“所有”量子霍爾相相關，包括量子反常電荷、自旋、谷和自旋谷霍爾態。輸運測量主要檢測到帶有SOC的ABCA-4LG中的量子反常電荷霍爾效應，這表明這是一個利用自旋和谷敏感探針進一步探索量子反常自旋、谷和自旋谷霍爾效應的有前途的系統。通過在固定B處調整n可以直接切換磁序，CNP處Chern絕緣體的磁序可以由B和n單獨控制。此外，作者發現磁序還表現出對位移場的有趣依賴性，鐵磁性以及ABCA-4LG/WSe2中的Chern數可以通過三個旋鈕 B、n和D進行切換。
圖 磁序的電氣切換
總之，該實驗展示了一個基于帶SOC的可調諧LAF實現Chern絕緣體狀態的系統。ABCA-4LG/WSe2在一個樣品內具有高度可調的對稱性，包括電荷、自旋、谷、層和SOC，為進一步研究提供了一個靈活且多功能的平臺。這種簡單的結構也為研究拓撲相變和潛在地探索拓撲相（例如拓撲超導體和分數Chern絕緣體）開辟了途徑。此外，菱形多層石墨烯中層相關的Chem數使該系統成為用于多通道量子計算的高階Chem絕緣體的寶貴天然晶體資源。
2022年3月17日，麻省理工學院巨龍團隊、上海交通大學陳國瑞副教授團隊合作在Science期刊發表題為“Spectroscopy signatures of electron correlations in a trilayer graphene/hBN moiré superlattice”的研究論文。
參考文獻：
Yating Sha, et al. Observation of a Chern insulator in crystalline ABCA-tetralayer graphene with spin-orbit coupling. Science, 2024, 384(6694):414-419.
DOI: 10.1126/science.adj8272
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8272
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3036
