Nature最新报道：范德华邻近效应在双层石墨烯的自旋轨道驱动带反转

小胖纸 5年前 (2019-06-13) 4698浏览

【背景介绍】

根据微观对称性，石墨烯的自旋轨道耦合（SOC）有多种形式，从而导致电荷中性的不同电子态。其中，SOC是实现物质逆时不变拓扑相的关键。Kane和Mele预测SOC将稳定量子自旋霍尔绝缘体，但是单层石墨烯的弱本征SOC阻碍了该材料的实验观察。然而，二维晶体之间的邻近效应为工程电子结构提供了一种工具，该电子结构不会在单一材料中发生。虽然许多研究报道了石墨烯和过渡金属二硫化物（TMD）半导体的异质结构中可以增强SOC，但是大多数都依赖于自旋弛豫或弱无定形的测量，两者都对无序和界面质量敏感，并且这种敏感度会影响散射率和由此推断产生的SOC强度。最近，一项关于量子振荡的研究发现了双层石墨烯（BLG）的石墨烯带电子内存在Rashba-SOC，但是没有报道Ising-SOC和λ_KM驱动的拓扑相。

【成果简介】

今日，美国加州大学圣巴巴拉分校的A. F. Young老师（通讯作者）课题组报道了他们利用范德华力与过渡金属二硫化物半导体的接触实现了一种层选择邻近效应，从而在超清洁双层石墨烯中设计出Kane和Mele预测的SOC。接着，作者利用高分辨率电容测量方法研究了体电子压缩性，发现SOC在导致电荷中性时形成明显的、不可压缩的、有间隙的相。实验数据与简单的理论模型在数量上是一致的，其中新相由SOC驱动带反转产生。然后，作者又利用电子传输测量发现反转相的电导率约为e²/h（e是电子电荷，h普朗克常数），只有极小的平面内磁场抑制。高电导率和异常磁阻与理论模型一致，反转相受突发自旋对称保护，即使对大型Rashba-SOC也保持稳定。该研究结果为石墨烯异质结构强自旋轨道体系中强拓扑绝缘体及其相关的量子相的邻近工程奠定了基础。该工作以题为“Spin–orbit-driven band inversion in bilayer graphene by the van der Waals proximity effect”发表在国际顶级期刊Nature上。

【图文解读】

图一、邻近诱导SOC双层石墨烯的反相