作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 高介电常数石墨烯中的自旋极化铁磁相
(一)在电荷中性石墨烯的铁磁相中，半填充零朗道能级的对称性破缺态是自旋极化的，占据了蜂窝晶格的两个子晶格，如插图所示
边缘色散是体同位旋态线性组合的结果，它们以类电子和类空穴分支的形式分散，在电荷中性时产生一对反向传播的自旋过滤螺旋边缘通道
红色和蓝色箭头表示子层的自旋极化
(二)石墨烯晶格示意图，螺旋边缘通道在晶体扶手椅型边缘上传播
(C)放置在钛酸锶衬底上的hBN封装石墨烯器件的示意图，该器件既用作高介电常数环境又用作背栅电介质
由于钛酸锶衬底在低温下具有相当大的介电常数(er ~ 10，000)和超薄的hBN间隔层(2-5nm厚)，石墨烯平面上的库仑相互作用基本上被屏蔽，导致电荷中性时量子霍尔基态的改变和具有螺旋边缘输运的铁磁相的出现
放大的视图显示了hBN封装的石墨烯范德瓦尔斯组件的原子层和钛酸锶的表面原子结构
学分:理科，doi: 10
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aax8201 显示拓扑相的材料可以根据它们的维数、对称性和拓扑不变量来分类，以形成具有特殊输运和自旋性质的导电边缘态
例如，量子霍尔效应可能出现在受到垂直磁场作用的二维电子系统中
当量子霍尔系统的独特特性与时间反转对称(熵守恒)拓扑绝缘体(TIs)相比较时，它们似乎依赖于电子之间的库仑相互作用，在各种实验系统中诱导大量强相关、拓扑或对称投影相位
在《科学》杂志的一份新报告中，路易斯·维拉特和法国、中国和日本的材料科学、量子光学和光电子学研究小组调整了石墨烯零朗道能级I的基态
e
具有离散能量值的带电粒子占据的轨道
通过对库仑相互作用与钛酸锶(SrTiO3)衬底的高介电常数的适当筛选，他们观察到在低至1特斯拉的磁场下，在微米长的距离上耐受高达110开尔文的温度下，强有力的螺旋边缘输运
这些多功能石墨烯平台将在自旋电子学和拓扑量子计算中得到应用
拓扑绝缘体(TIs)，I
e
，一种在其内部表现为绝缘体但保持导电表面状态的材料，具有零陈氏数，已经作为量子霍尔拓扑绝缘体(QHTIs)出现，产生于多体相互作用朗道能级
它们可以被描绘成具有相反手性的量子霍尔系统的两个独立副本，但是实验系统与所描述的场景不一致，在所描述的场景中，在电荷中性、高迁移率石墨烯器件中，在增加垂直磁场时观察到强绝缘状态
石墨烯器件
不同样品的光学图片
红线标出了包裹着血红蛋白的石墨烯薄片的边缘
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aax8201 因此，石墨烯中铁磁性相(F相)的实验形成可能受到这种晶格级电子-电子和电子-声子相互作用的阻碍
为了克服这一点，科学家们先前已经应用了一个高于30特斯拉的非常强的面内磁场分量来超越各向异性相互作用，允许在石墨烯中实验性地出现F相
在另一个策略中，他们使用石墨烯双层来承载两种不同的相反电荷载流子类型的量子霍尔态，但是它们受到不切实际的强倾斜磁场或材料组装复杂性的影响
因此，在这项工作中，维拉特等人
使用不同的方法在单层石墨烯中诱导F相
不是提高塞曼能量或塞曼效应
e
利用磁场分裂谱线以克服各向异性相互作用，他们修正了相对于库仑相互作用的晶格尺度相互作用，以恢复自旋极化项的主导作用，并诱导F相
低磁场量子自旋霍尔效应
(A)样品BNGrSTO-07的双端电阻R2t(单位为h/e2)与磁场和背栅电压的关系，在4 K下测量
除了填充分数n = 1和2时的标准量子霍尔平台之外，电阻在B = 1之间的电荷中性点附近呈现异常平台
5和4 T，由黑色虚线和双头箭头界定，表示本例中QSH效应的状态
该平台处的电阻值为h/e2，颜色编码为白色
插图显示了触点配置
黑色触点浮动
螺旋边缘通道上的红色和蓝色箭头表示触点之间的电流方向，A表示安培表
(B)两端电导G2t = 1/R2t，单位为e2 /h，与在不同磁场下从(A)提取的背栅电压的关系
量子霍尔效应在2e2 /h和6e2 /h时的第一电导平台定义明确
电导e2 /h的QSH平台清楚地出现在Vbg = 0 V附近的电荷中性
(C)从(A)中提取的样品BNGrSTO-07(红点)和样品BNGrSTO-09(蓝点)的电荷中性点电阻与磁场的关系
后一种样品具有厚的hBN间隔物，并且在向绝缘发散的低磁场下表现出强的正磁阻；具有薄hBN间隔物(BNGrSTO-07)的样品显示了持续到约4 T的QSH平台，随后在更高的磁场下电阻增加
w，欧姆
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aax8201 为此，他们使用了量子顺电钛酸锶(SrTiO3)，已知它在低温下显示出大的静态介电常数(D≈104)
该装置最终改变了电荷中性时石墨烯的基态
Veyrat等人
这是通过设计基于六方氮化硼(hBN)封装的高迁移率石墨烯异质结构来实现的，并且很容易观察到F相在屏蔽结构中的出现
通过改变设置中的电子源和漏(电子流)触点，以及螺旋边缘部分的数量，他们观察到螺旋边缘传输
Veyrat等人
还观察到同时测量两端电阻和非局部电阻，同时保持相同的源极和漏极电流注入触点，以证明电流在样品边缘流动
非局域螺旋边缘输运
两端电阻与背栅电压的关系，在2
(B)中示意的不同触点配置的5 T和4 K
插图显示了测量样品BNGrSTO-07的光学图像
比例尺为4毫米
每个接触结构在电荷中性时产生的电阻达到螺旋边缘传输的期望值，用水平虚线表示
(二)测量配置示意图
黑色触点浮动
螺旋边缘通道上的红色和蓝色箭头指示触点之间的电流方向
(C)蓝色和非本地的双端电阻R2t，红色的四端电阻RNL，与插图示意图中所示触点配置的背栅电压的关系
在示意图中，V表示电压表
(四)在与(三)相同的接触配置下，Vbg = 0 V时，中央控制室的电阻与磁场的关系
在1 T到约6 T之间的两端和四端电阻都观察到螺旋平台
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aax8201 为了研究螺旋边缘传输的稳健性，研究小组对其温度和磁场依赖性进行了系统研究
钛酸锶的介电常数保持在足够高的200千，介电屏蔽几乎不受影响
为了理解量子化螺旋边缘输运的极限，研究小组在几个磁场和温度值下测量了不同的接触结构，表明量子化螺旋边缘输运可以承受高达110 K的高温
研究小组随后展示了氟化硫代钛酸锶电介质基底在氟化阶段建立过程中的关键作用
由于在高介电常数测量中显著减少了电子-电子相互作用，所以在对照实验中F相以基态出现
Veyrat等人
进一步研究了库仑和电子-声子相互作用的屏蔽效应和短程晶格尺度贡献，以确定能量上有利的基态
观察到的机制将打开令人兴奋的新前景
例如，可以通过增加磁场来增强库仑能级，以诱导从QHTI(量子霍尔拓扑绝缘体)铁磁相到绝缘的普通量子霍尔基态的拓扑量子相变——迄今为止很少涉及的一种相变
螺旋边缘输运的相图
(一)在不同温度和4 T磁场下测量的BNGrSTO-07样品的双端电阻与背栅电压的关系
背栅电压被重整以补偿衬底介电常数的温度依赖性
(二)对于与(一)中相同的数据，CNP的两端电阻
插图显示了(A)和(B)中使用的触点配置
(C)插图中显示的不同触点配置的CNP两端电阻与磁场和温度的关系
在温度和磁场的大范围内，即在温度= 5 T时，温度达到T = 110 K时，电阻在螺旋边缘传输的预期值(2±3h 2，颜色编码为淡黄色)处显示出平稳状态
星形表示通过测量不同的接触结构来检查螺旋边缘传输的参数
(绿色的星表示量子化的螺旋边缘输运，红色的星表示在CNP量子化的偏离
)虚线是眼睛的指南，显示了F相的量化螺旋边缘传输的近似极限
(四)零朗道能级对称性破缺态的边缘色散示意图，表明在边缘有一个缺口
在样品bngrstooh-02(红点)和BNGrSTO-09(蓝点)中测量的电荷中性点的活化能与磁场的关系，它们分别具有5和61纳米的血红蛋白间隔
虚线是bngrstowh-02的线性拟合和BNGrSTO-09的相关性拟合
前因子α= 64kt 1/2对应于无无序间隙，截距描述朗道能级的无序加宽，这与样品迁移率一致
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aax8201 通过这种方式，路易斯·维拉特和他的同事展示了屏蔽石墨烯中的铁磁相
该装置在低磁场下出现，是一个典型的相互作用诱导的拓扑相，具有强大的螺旋边缘输运
边缘激发可通过磁场进行调谐，以研究超导邻近结构中的零能量模式
由于研究中使用的hBN间隔层的厚度，衬底屏蔽工程的方法是可调的，因此研究小组预计其他相关二维系统的基态和光电特性也会受到其介电环境的强烈影响
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