Nature最新報道：范德華鄰近效應在雙層石墨烯的自旋軌道驅動帶反轉

小胖紙 4年前 (2019-06-13) 4471瀏覽

【背景介紹】

根據微觀對稱性，石墨烯的自旋軌道耦合（SOC）有多種形式，從而導致電荷中性的不同電子態。其中，SOC是實現物質逆時不變拓撲相的關鍵。Kane和Mele預測SOC將穩定量子自旋霍爾絕緣體，但是單層石墨烯的弱本征SOC阻礙了該材料的實驗觀察。然而，二維晶體之間的鄰近效應為工程電子結構提供了一種工具，該電子結構不會在單一材料中發生。雖然許多研究報道了石墨烯和過渡金屬二硫化物（TMD）半導體的異質結構中可以增強SOC，但是大多數都依賴于自旋弛豫或弱無定形的測量，兩者都對無序和界面質量敏感，并且這種敏感度會影響散射率和由此推斷產生的SOC強度。最近，一項關于量子振蕩的研究發現了雙層石墨烯（BLG）的石墨烯帶電子內存在Rashba-SOC，但是沒有報道Ising-SOC和λ_KM驅動的拓撲相。

【成果簡介】

今日，美國加州大學圣巴巴拉分校的A. F. Young老師（通訊作者）課題組報道了他們利用范德華力與過渡金屬二硫化物半導體的接觸實現了一種層選擇鄰近效應，從而在超清潔雙層石墨烯中設計出Kane和Mele預測的SOC。接著，作者利用高分辨率電容測量方法研究了體電子壓縮性，發現SOC在導致電荷中性時形成明顯的、不可壓縮的、有間隙的相。實驗數據與簡單的理論模型在數量上是一致的，其中新相由SOC驅動帶反轉產生。然后，作者又利用電子傳輸測量發現反轉相的電導率約為e²/h（e是電子電荷，h普朗克常數），只有極小的平面內磁場抑制。高電導率和異常磁阻與理論模型一致，反轉相受突發自旋對稱保護，即使對大型Rashba-SOC也保持穩定。該研究結果為石墨烯異質結構強自旋軌道體系中強拓撲絕緣體及其相關的量子相的鄰近工程奠定了基礎。該工作以題為“Spin–orbit-driven band inversion in bilayer graphene by the van der Waals proximity effect”發表在國際頂級期刊Nature上。

【圖文解讀】

圖一、鄰近誘導SOC雙層石墨烯的反相