上海交通大学，重磅Science

　　【导读】

　　众所周知，二维层状材料的性能取决于层的堆叠排列，多层石墨烯在电荷中性点（CNP）附近表现出能带，其中低能带可以用能量-动量色散关系近似描述 ，展现出具有很强的库仑相互作用。同时，石墨烯中的低能带主要与动量空间Berry曲率相关，并表现出多种简并。因此，菱面体堆叠的多层石墨烯可以承载多种相互作用驱动的破坏对称状态。实际上，最近在六方氮化硼 （hBN）器件上成功制造高质量菱面体堆叠多层石墨烯，这也为研究对称破缺效应提供了广阔的机会。进一步研究显示，当石墨烯的层数增加到四层时，库仑相互作用变得足够强，能够自发引发对称性，在hBN上的电荷中性ABCA-四层石墨烯（ABCA -4LG）中，导致形成四种自旋-谷相关的层分辨电荷分布。

　　【成果掠影】

　　在此，上海交通大学陈国瑞副教授等人（通讯作者）通过引入来自邻近的WSe2层的自旋轨道耦合（SOC），报道了电荷腔ABCA-4LG的铁磁性。提出了在四层菱面体石墨烯中观察到这种状态，石墨烯被六方氮化硼封装并放置在一层WSe2旁边。最后一层的作用是诱导自旋轨道耦合，这在石墨烯中通常可以忽略不计。输运测量表明铁磁性和由磁场稳定的霍尔电阻的量化，对应于Chern数为4。重要的是，其最大霍尔电阻在零磁场下达到78%，在0.4或-1.5特斯拉时实现了完全量子化，且通过垂直位移场能够对三种不同的破对称绝缘态进行连续调控，通过包括磁场、电掺杂和垂直位移场在内的三个旋钮来切换Chern绝缘体的磁序。

　　相关研究成果以“Observation of a Chern insulator in crystalline ABCA-tetralayer graphene with spin-orbit coupling”为题发表在Science上。

　　【核心创新点】

　　1.本文通过引入来自邻近的WSe2层的自旋轨道耦合（SOC），报道了电荷腔ABCA-4LG的铁磁性；

　　2.本文展示了一个基于可调控可调控层反铁磁实现Chern绝缘体状态的系统，为进一步的研究提供了一个灵活和通用的平台，这种简单的结构也为研究拓扑相变和潜在地探索拓扑相开辟了途径。

　　【数据概览】

　　图一、带有单层WSe2的ABCA-4LG原理图和传输过程 © 2024 AAAS

　　图二、在D=-0.1V/nm下的Chern绝缘体和磁场稳定的QAH效应© 2024 AAAS

　　图三、ABCA-4LG中带和不带SOC的CNP的破对称绝缘态© 2024 AAAS

　　图四、磁序的电气切换© 2024 AAAS

　　【成果启示】

　　综上所述，本文讨论了WSe2在ABCA-4LG中观察到的Chern绝缘体的具体性质。首先，其机制明显不同于掺杂或固有磁性拓扑绝缘体和二维莫尔超晶格中的Chern绝缘体态，时间反演对称破缺来自于晶体石墨烯固有平带内的强库仑相互作用。其次，系统中的磁性来源于不同层的K和K’谷，而不同于Moire系统。第三，ABCA-4LG/WSe2中的Chern绝缘体位于电荷中性点，这与某些Moire超晶格填充处的Chern绝缘体不同。因此，Chern绝缘体的实现不需要精确控制扭转角。最后，4的Chern数与ABCA-4LG的绕组数精确匹配，这意味着通过用SOC改变较厚的菱形多层石墨烯的层数能够开发具有可控Chern数的Chern绝缘体。