Bendi新闻
>
Science: 五层菱方石墨烯中的量子反常霍尔效应

Science: 五层菱方石墨烯中的量子反常霍尔效应

6月前

海归学者发起的公益学术平台

分享信息,整合资源

交流学术,偶尔风月

量子反常霍尔效应是一种特别的拓扑物态行为。其具体表现为在零磁场下器件显示量子化的霍尔电导。这一现象由诺贝尔物理学奖得主Duncan Haldane预言,其后首先被清华大学薛其坤教授带领的团队在磁性掺杂的拓扑绝缘体中观测到。因为这一实验发现,薛其坤教授于2024年获得了美国物理学会凝聚态领域最高奖巴克利奖。量子反常霍尔效应不仅在在基础物理研究中具有重要意义,同时对实现手性马拉约纳边界态和拓扑量子计算具有奠基性意义。迄今为止,量子反常霍尔效应只在磁性拓扑绝缘体和二维材料的摩尔超晶格中被观测到,其中绝大多数材料的量子化电导都对应于陈数为一。



石墨烯是一种完全由碳原子构成的单层材料。我们日常使用的铅笔芯由石墨构成,它是一种层状材料,如果将石墨变薄直至单层就获得了石墨烯。介于三维的石墨和单层的石墨烯之间,多层石墨烯晶体在完全没有层间转角的情况下可以表现出超乎寻常的物理性质。在出乎理论预言的情况下,近日麻省理工学院物理系巨龙课题组在菱方堆叠的五层石墨烯和二硫化钨的异质结中观测到了量子反常霍尔效应[1]。同时,被观测到的量子霍尔电导对应的陈数为五,远高于目前所有的量子反常霍尔效应材料中的陈数。这一量子化电导可以在1.5开尔文以下的温度区间被观测到。类似的效应在低于或者高于五层的晶体石墨烯中从未被观测到。因此,此实验是量子反常霍尔效应在晶体石墨烯中的首次实现。


图1. 菱方五层石墨烯-单层二硫化钨器件结构及实验相图


此次实验的关键在于五层菱方石墨烯和二硫化钨的协同作用。五层菱方石墨烯具有非常平坦的能带结构以及非常大的贝里相位。同时,其能带和贝里相位可以被外加电场所调控。这些条件构成了量子反常霍尔效应的基础。但在电荷中性的五层菱方石墨烯中,时间反演对称性依然存在,导致其并不能表现出量子反常霍尔效应,因为后者只能在时间反演对称性被打破的条件下存在。二硫化钨具有很强的电子自旋轨道耦合,并且可以将这一效应传递给与其相邻的石墨烯中的电子。在石墨烯和二硫化钨二者共存的情况下,能谷和自旋对称性同时被打破,导致异质结结构表现出量子反常霍尔效应。这一机理完全不同于磁性拓扑绝缘体与二维摩尔超晶格中产生量子反常霍尔效应的机理,因为该器件中并不存在磁性原子和摩尔超晶格效应。因此,此次实验打破了传统观念,对于在一般材料中实现量子反常霍尔效应具有重要指导意义。

图2. 陈数为五的量子反常霍尔效应


量子反常霍尔效应具有十分直观的物理图像:二维材料的内部为绝缘体,电子只能沿材料的边界传播。这些边界态类似于高速公路,允许电子在没有能量耗散的情况下传播。陈数对应于高速公路的车道数目。相比于磁性拓扑绝缘体和二维摩尔超晶格,五层菱方石墨烯可以容纳五倍的电子传输能力,因此对实现基于拓扑物态的低能耗的电子器件具有重要意义。


图3. 电场调控的拓扑相变


在此次实验之前,巨龙课题组已经在五层菱方石墨烯中报道了陈数为五的陈绝缘体[2]。这在当时是首次在晶体石墨烯中观测到陈绝缘体。在当时的器件中,需要外加一特斯拉的磁场来诱导量子化的霍尔电导。受此现象启发,课题组引入了二硫化钨使得量子化电导在零磁场下可以存在。

论文以“Large quantum anomalous Hall effect in spin-orbit proximitized rhombohedral graphene”为题于2024年5月10日发表于Science期刊。论文通讯作者是巨龙助理教授,第一作者是韩同航, 路正光, 姚宇轩, 其他作者有杨纪翔和Junseok Seo。合作者有德州大学达拉斯分校张帆教授,Chiho Yoon;麻省理工学院付亮教授;日本国立材料科学研究所Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi教授。


 

论文链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9749

参考文献:
1. Han, T., Lu, Z., Yao, Y. et al. Large quantum anomalous Hall effect in spin-orbit proximitized rhombohedral graphene. Science 384,647-651(2024).
2. Han, T., Lu, Z. et al.Correlated insulator and Chern insulators in pentalayer rhombohedral-stacked graphene. Nat. Nanotechnol. 19, 181–187 (2024).
3. Han, T., Lu, Z. et al.Orbital multiferroicity in pentalayer rhombohedral graphene. Nature 623, 41–47 (2023).
4. Lu, Z., Han, T., Yao, Y.et al. Fractional quantum anomalous Hall effect in multilayer graphene. Nature 626, 759–764 (2024).


课题组简介:


参与实验的巨龙教授课题组成员:(从右到左)路正光,巨龙教授,姚宇轩,韩同航,Junseok Seo,杨纪翔


巨龙课题组长期关注石墨烯等二维材料体系中的强关联与拓扑效应,近年来在菱方堆叠多层石墨烯系统中有一系列进展。最近半年来,在同样的菱方堆叠五层石墨烯样品中,课题组报道了其中关联绝缘态,陈氏绝缘态,以及多种对称性破缺金属态[2],轨道多铁态[3],分数量子反常霍尔效应[4]等多种新奇物相。菱方堆叠多层石墨烯晶体已成为一个重要的研究强电子关联与拓扑效应的新平台。


点击下方知社人才广场,查看最新学术招聘

扩展阅读

 
Nature重磅:首次在零磁场下实现量子反常霍尔绝缘体中的陈数调控
Nat. Commun.: 共线反铁磁金属中的反常霍尔效应调控
北大\国科大PRL: 转角h-BN/石墨烯中的可调带间跃迁
剑桥大学Nature: 氧化亚铜太阳能燃料技术突破
本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容
媒体转载联系授权请看下方

微信扫码关注该文公众号作者

来源:知社学术圈

相关新闻

Science:让光子跳出霍尔的舞步PRL:原子核量子效应诱发高压冰的反常热导率Science重磅!阿尔兹海默开山论文通讯作者承认造假,白费全世界18年研究?AI Trust解读 | 塔玛尔:《中国数据法律制度的竞争效应》Science|震惊!首次发现大脑神经细胞中的某些 RNA 分子终生不会更新AI预测蝴蝶效应?谷歌最新天气预报模型SEEDS登Science子刊查尔斯浑身血光,暗示凯特消失,总理突然遇刺...恐怖蝴蝶效应开始了...Science:妊娠早期营养不良,糖尿病风险倍增奥运效应推高巴黎房价?该地区最被看好Science“125个重大科学问题”迎新进展:科学家揭示二维铜/三氧化钨的室温磁性,解决自旋电子学材料应用难题奥运提振法国经济,业界期待效应拉满!明日迎热浪顶峰!马克龙满血复工,却不提这件大事!数百万晶体数据训练、解决晶体学相位问题,深度学习方法PhAI登Science50mm暴雨!多伦多预警:洪水风险!“火车效应雷暴”来袭安省窒息热浪重返波士顿!全市进入高温紧急状态,中国城变“热岛效应”重灾区对话深势科技&北京科学智能研究院:AI for Science如何在学术界和产业界落地生根Science研究揭GenAI「双刃剑」:GenAI让个人创作出彩却令集体创意趋同Science:这股神秘的强大力量,正在影响巴黎奥运成绩!包括空调。。。影响一生的五个心理学效应,掌握一个便能受益终身要想活得久,还得管住嘴!Science:饭吃七分饱,能延寿35%拜登退选效应:以总理访美、乌外长访华、菲接受中方管控安排、台掀“保护费”风潮、南韩第一夫人被查南洋理工Science Robotics:鳞片启发的变刚度软体机器人结构数据分析必学!哈佛大学神课,留学生0门槛入门Data Science逆向投资的艺术:美股投资者如何避免羊群效应?研究 I “城市热岛”效应使纽约人感到更热
logo
联系我们隐私协议©2024 bendi.news
Bendi新闻
Bendi.news刊载任何文章,不代表同意其说法或描述,仅为提供更多信息,也不构成任何建议。文章信息的合法性及真实性由其作者负责,与Bendi.news及其运营公司无关。欢迎投稿,如发现稿件侵权,或作者不愿在本网发表文章,请版权拥有者通知本网处理。