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石墨烯是一種完全由碳原子構成的單層材料。我們日常使用的鉛筆芯由石墨構成，它是一種層狀材料，如果將石墨變薄直至單層就獲得了石墨烯。介於三維的石墨和單層的石墨烯之間，多層石墨烯晶體在完全沒有層間轉角的情況下可以表現出超乎尋常的物理性質。在出乎理論預言的情況下，近日麻省理工學院物理系巨龍課題組在菱方堆疊的五層石墨烯和二硫化鎢的異質結中觀測到了量子反常霍爾效應[1]。同時，被觀測到的量子霍爾電導對應的陳數為五，遠高於目前所有的量子反常霍爾效應材料中的陳數。這一量子化電導可以在1.5開爾文以下的溫度區間被觀測到。類似的效應在低於或者高於五層的晶體石墨烯中從未被觀測到。因此，此實驗是量子反常霍爾效應在晶體石墨烯中的首次實現。
圖1. 菱方五層石墨烯-單層二硫化鎢器件結構及實驗相圖
此次實驗的關鍵在於五層菱方石墨烯和二硫化鎢的協同作用。五層菱方石墨烯具有非常平坦的能帶結構以及非常大的貝里相位。同時，其能帶和貝里相位可以被外加電場所調控。這些條件構成了量子反常霍爾效應的基礎。但在電荷中性的五層菱方石墨烯中，時間反演對稱性依然存在，導致其並不能表現出量子反常霍爾效應，因為後者只能在時間反演對稱性被打破的條件下存在。二硫化鎢具有很強的電子自旋軌道耦合，並且可以將這一效應傳遞給與其相鄰的石墨烯中的電子。在石墨烯和二硫化鎢二者共存的情況下，能谷和自旋對稱性同時被打破，導致異質結結構表現出量子反常霍爾效應。這一機理完全不同於磁性拓撲絕緣體與二維摩爾超晶格中產生量子反常霍爾效應的機理，因為該器件中並不存在磁性原子和摩爾超晶格效應。因此，此次實驗打破了傳統觀念，對於在一般材料中實現量子反常霍爾效應具有重要指導意義。
圖2. 陳數為五的量子反常霍爾效應
量子反常霍爾效應具有十分直觀的物理影像：二維材料的內部為絕緣體，電子只能沿材料的邊界傳播。這些邊界態類似於高速公路，允許電子在沒有能量耗散的情況下傳播。陳數對應於高速公路的車道數目。相比於磁性拓撲絕緣體和二維摩爾超晶格，五層菱方石墨烯可以容納五倍的電子傳輸能力，因此對實現基於拓撲物態的低能耗的電子器件具有重要意義。
圖3. 電場調控的拓撲相變
在此次實驗之前，巨龍課題組已經在五層菱方石墨烯中報道了陳數為五的陳絕緣體[2]。這在當時是首次在晶體石墨烯中觀測到陳絕緣體。在當時的器件中，需要外加一特斯拉的磁場來誘導量子化的霍爾電導。受此現象啟發，課題組引入了二硫化鎢使得量子化電導在零磁場下可以存在。
論文以“Large quantum anomalous Hall effect in spin-orbit proximitized rhombohedral graphene”為題於2024年5月10日發表於Science期刊。論文通訊作者是巨龍助理教授，第一作者是韓同航, 路正光, 姚宇軒, 其他作者有楊紀翔和Junseok Seo。合作者有德州大學達拉斯分校張帆教授，Chiho Yoon；麻省理工學院付亮教授；日本國立材料科學研究所Kenji Watanabe，Takashi Taniguchi教授。
課題組簡介：
參與實驗的巨龍教授課題組成員：（從右到左）路正光，巨龍教授，姚宇軒，韓同航，Junseok Seo，楊紀翔
巨龍課題組長期關注石墨烯等二維材料體系中的強關聯與拓撲效應，近年來在菱方堆疊多層石墨烯系統中有一系列進展。最近半年來，在同樣的菱方堆疊五層石墨烯樣品中，課題組報道了其中關聯絕緣態，陳氏絕緣態，以及多種對稱性破缺金屬態[2]，軌道多鐵態[3]，分數量子反常霍爾效應[4]等多種新奇物相。菱方堆疊多層石墨烯晶體已成為一個重要的研究強電子關聯與拓撲效應的新平臺。