[정윤기 학생, 장준호 교수] 무아레 이중층 그래핀에서의 상호작용하는 양자상과 밸리, 층 자유도 및 밴드 위상의 상관관계 연구 (Nature Communications 논문 게재)
“Interplay of valley, layer and band topology towards interacting quantum phases in moiré bilayer graphene”
버널 적층 이중층 그래핀(Bernal stacked bilayer graphene, BBG)과 육방정계 질화붕소(hexagonal Boron Nitride, hBN)의 결정축을 0도에 가깝게 정렬하여 적층하면 둘 사이의 1.8% 가량의 결정상수 차이로 인해 주기적인 무아레 초격자(moiré superlattice) 퍼텐셜이 형성된다. 이러한 초격자 퍼텐셜은 이중층 그래핀의 전자구조를 변화시켜 위상적으로 비자명한 미니밴드를 형성하며 수직방향 전기장을 통해 조절가능한 독특한 전하수송특성을 나타낼 것으로 예측되어 왔다.
본 연구에서는 정렬된 BBG/hBN 이종접합구조(heterostructure) 시료의 자기수송(magnetotransport)특성을 측정하였다. 전하밀도와 자기장에 따른 란다우 팬(Landau fan) 다이어그램에선 매우 상세한 호프스태터 나비(Hofstadter’s butterfly) 패턴을 관찰하였다. 정렬된 BBG/hBN 이종접합구조에서 기존에는 정렬된 계면에 가까운 층(layer) 자유도를 가지는 전자가 초격자 퍼텐셜의 영향을 강하게 받을 것으로 생각되어 왔다. 그러나 영에너지와 고에너지 란다우 준위(Landau level)에서 초격자 퍼텐셜의 영향을 강하게 받는 양자 홀 강자성 상태(quantum Hall ferromagnet state)가 수직방향 전기장에 따라 전이하는 방향성이 서로 반대임을 보임으로써 초격자의 영향을 크게 받도록 하는 요인이 층 자유도가 아니라 밸리(valley) 자유도임을 실험적으로 밝혀내었으며, 이것이 무아레 밴드의 밸리 의존적 천 숫자(valley-dependent Chern number)에 영향을 받은 것으로 해석하였다. 또한, 좁은 밴드폭의 무아레 밴드 안에서 단일 전자 모델에선 예측되지 않는 다양한 양자상들이 전자간 상호작용에 의해 발현됨을 실험적으로 관측하였다. 일부 상관 부도체(correlated insulator) 상에서는 양자 스핀 홀 또는 밸리 홀(quantum spin/valley Hall) 효과에서 예측되는 나선형 가장자리 상태(helical edge state)가 관측되었으며, 상호작용에 의해 초격자 퍼텐셜의 병진대칭성이 깨지면서 전자가 초격자를 분수 비율로 채운 것처럼 나타나는 대칭성 깨짐 천 부도체(symmetry broken Chern insulator, SBCI)의 양자화된 홀 저항(Hall resistance)이 관측되었다. 이러한 결과들은 BBG/hBN 무아레 시스템이 밴드 위상과 전자간 상호작용을 연구하기 위한 높은 조절가능성을 가진 플랫폼이 될 수 있음을 제시한다.
Abstract: In Bernal-stacked bilayer graphene (BBG), the Landau levels give rise to an intimate connection between valley and layer degrees of freedom. Adding a moiré superlattice potential enriches the BBG physics with the formation of topological minibands — potentially leading to tunable exotic quantum transport. Here, we present magnetotransport measurements of a high-quality bilayer graphene–hexagonal boron nitride (hBN) heterostructure. The zero-degree alignment generates a strong moiré superlattice potential for the electrons in BBG and the resulting Landau fan diagram of longitudinal and Hall resistance displays a Hofstadter butterfly pattern with a high level of detail. We demonstrate that the intricate relationship between valley and layer degrees of freedom controls the topology of moiré-induced bands, significantly influencing the energetics of interacting quantum phases in the BBG superlattice. We further observe signatures of field-induced correlated insulators, helical edge states and clear quantizations of interaction-driven topological quantum phases, such as symmetry broken Chern insulators.
Authors: Yungi Jeong, Hangyeol Park, Taeho Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jeil Jung, Joonho Jang*
Publication date: 28 July 2024