上海交通大學，重磅Science

　　【導讀】

　　眾所周知，二維層狀材料的性能取決于層的堆疊排列，多層石墨烯在電荷中性點（CNP）附近表現出能帶，其中低能帶可以用能量-動量色散關系近似描述 ，展現出具有很強的庫侖相互作用。同時，石墨烯中的低能帶主要與動量空間Berry曲率相關，并表現出多種簡并。因此，菱面體堆疊的多層石墨烯可以承載多種相互作用驅動的破壞對稱狀態。實際上，最近在六方氮化硼 （hBN）器件上成功制造高質量菱面體堆疊多層石墨烯，這也為研究對稱破缺效應提供了廣闊的機會。進一步研究顯示，當石墨烯的層數增加到四層時，庫侖相互作用變得足夠強，能夠自發引發對稱性，在hBN上的電荷中性ABCA-四層石墨烯（ABCA -4LG）中，導致形成四種自旋-谷相關的層分辨電荷分布。

　　【成果掠影】

　　在此，上海交通大學陳國瑞副教授等人（通訊作者）通過引入來自鄰近的WSe2層的自旋軌道耦合（SOC），報道了電荷腔ABCA-4LG的鐵磁性。提出了在四層菱面體石墨烯中觀察到這種狀態，石墨烯被六方氮化硼封裝并放置在一層WSe2旁邊。最后一層的作用是誘導自旋軌道耦合，這在石墨烯中通常可以忽略不計。輸運測量表明鐵磁性和由磁場穩定的霍爾電阻的量化，對應于Chern數為4。重要的是，其最大霍爾電阻在零磁場下達到78%，在0.4或-1.5特斯拉時實現了完全量子化，且通過垂直位移場能夠對三種不同的破對稱絕緣態進行連續調控，通過包括磁場、電摻雜和垂直位移場在內的三個旋鈕來切換Chern絕緣體的磁序。

　　相關研究成果以“Observation of a Chern insulator in crystalline ABCA-tetralayer graphene with spin-orbit coupling”為題發表在Science上。

　　【核心創新點】

　　1.本文通過引入來自鄰近的WSe2層的自旋軌道耦合（SOC），報道了電荷腔ABCA-4LG的鐵磁性；

　　2.本文展示了一個基于可調控可調控層反鐵磁實現Chern絕緣體狀態的系統，為進一步的研究提供了一個靈活和通用的平臺，這種簡單的結構也為研究拓撲相變和潛在地探索拓撲相開辟了途徑。

　　【數據概覽】

　　圖一、帶有單層WSe2的ABCA-4LG原理圖和傳輸過程 ? 2024 AAAS

　　圖二、在D=-0.1V/nm下的Chern絕緣體和磁場穩定的QAH效應? 2024 AAAS

　　圖三、ABCA-4LG中帶和不帶SOC的CNP的破對稱絕緣態? 2024 AAAS

　　圖四、磁序的電氣切換? 2024 AAAS

　　【成果啟示】

　　綜上所述，本文討論了WSe2在ABCA-4LG中觀察到的Chern絕緣體的具體性質。首先，其機制明顯不同于摻雜或固有磁性拓撲絕緣體和二維莫爾超晶格中的Chern絕緣體態，時間反演對稱破缺來自于晶體石墨烯固有平帶內的強庫侖相互作用。其次，系統中的磁性來源于不同層的K和K’谷，而不同于Moire系統。第三，ABCA-4LG/WSe2中的Chern絕緣體位于電荷中性點，這與某些Moire超晶格填充處的Chern絕緣體不同。因此，Chern絕緣體的實現不需要精確控制扭轉角。最后，4的Chern數與ABCA-4LG的繞組數精確匹配，這意味著通過用SOC改變較厚的菱形多層石墨烯的層數能夠開發具有可控Chern數的Chern絕緣體。