研究快讯 | 在非魔角石墨烯中发现陈绝缘体

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 11 February 2021; 

online 17 March 2021

EXPRESS LETTER

Emergence of Chern Insulating States in Non-Magic Angle Twisted Bilayer Graphene

Cheng Shen(沈成), Jianghua Ying(应江华), Le Liu(刘乐), Jianpeng Liu(刘健鹏), Na Li(李娜), Shuopei Wang(王硕培), Jian Tang(汤建), Yanchong Zhao(赵岩翀), Yanbang Chu(褚衍邦), Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Rong Yang(杨蓉), Dongxia Shi(时东霞), Fanming Qu(屈凡明), Li Lu(吕力), Wei Yang(杨威), and Guangyu Zhang(张广宇)

Chin. Phys. Lett. 2021, 38 (4): 047301

文章亮点

在非魔角石墨烯中发现了时间反演对称性破缺的非平庸陈绝缘体，并通过不同转角量子输运特性的变化揭示了平带、轨道磁矩塞曼效应、朗道能级量子化的竞争关系。

在非魔角石墨烯中发现陈绝缘体

研究背景

转角石墨烯是一个新兴的强关联摩尔超晶格体系，由两个单层石墨烯旋转堆叠而成。当转角为魔角（~1.1°）时，它具有很平的摩尔子能带，表现出很强的电子关联效应，可以引发关联绝缘态、超导态、轨道磁性等。有意思的是，该体系还具有非零陈数的拓扑属性，甚至可以实现量子反常霍尔效应。这种拓扑属性取决于对称性的破缺，当空间反演对称性（C2）破缺时，可以观察到在摩尔超晶格填充1个或者3个电子（空穴）的时候会出现陈数为1的陈绝缘体，而当时间反演对称性（T）破缺时，可以观察到顺序填充的陈数C=4-v (C=-4-v)。当转角大于1.1°（非魔角）时，摩尔子能带的带宽会变大，关联效应会减弱。这时就有一些非常有意思的问题，在非魔角时摩尔子能带是否还具有非平庸的拓扑属性，是否还可以实现非零陈数的绝缘体？

内容简介

最近，中科院物理所张广宇研究员和杨威特聘研究员的课题组，与所内的吕力研究员和屈凡明特聘研究员，以及上海科技大学的刘健鹏教授等合作，在非魔角的转角石墨烯中发现了顺序填充的非平庸陈绝缘态。该工作利用极低温强磁场输运的测量手段研究了1.25°等一系列非魔角的转角石墨烯的朗道能级谱图。在1.25°转角时，在空穴整数填充数为v=-1, -2, -3时，分别观测到了陈数C=-3,-2,-1的拓扑态。通过简单的模型计算发现，1.25°正好对应于电子相互作用与摩尔子能带带宽相当的临界区域。此外，随着角度增大到1.38°，平带带宽增加带来电子相互作用的减弱和费米速度的提升，导致拓扑态的消失，取而代之的是分形的Hofstadter Butterfly朗道能级谱；角度再增大时，石墨烯层间耦合基本消失，分形能谱消失，只有来自狄拉克点和超晶格狄拉克点的朗道能级。

研究意义和重要性

该工作说明非魔角的转角石墨烯体系中也具有非平庸的拓扑属性，揭示了不同能量的竞争或者合作对转角体系的巨大影响，为更好理解转角体系和关联效应提供了重要的信息。

转角为1.25°的朗道能级扇形图。左上：测量径向电阻；左下：灰色和蓝色对应观测到的朗道能级，蓝色区域的红线对应陈绝缘态；右图：反演对称性和时间反演对称性破缺时陈数与填充的关系。

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