▲第一作者：Yanmeng Shi，Shuigang Xu, Yaping Yang；通訊作者：Artem Mishchenko
第一單位：英國曼徹斯特大學物理與天文系DOI: 10.1038/s41586-020-2568-2
背景介紹
石墨有兩類比較穩定的相，即六方相（hexagonal graphite，HG）和菱方相（rhombohedral graphite，RG），當前的研究主要基于前者進行。石墨烯的大量新奇物理性質，如狄拉克錐能帶、超高遷移率、量子霍爾效應等，均是基于其六方相的研究。區別于傳統六方相，菱方石墨由ABC堆垛而成，相關理論預測其在表面有超平的局域化能帶，并導致相關的新奇量子行為，如：超導電性、鐵磁性、量子霍爾效應等。因此RG是研究電子-電子相互作用的理想載體。相對而言，RG的穩定性較差，盡管有很多理論研究預測了它們的新奇物理特性，但是實驗物理研究仍然較少。
本文亮點
利用范德華堆垛，來自曼徹斯特大學的Artem Mishchenko等人構建了RG晶體，最多可達50層。對應的RG晶體表現出獨特的拓撲電輸運特性，作者們觀察到了RG中帶隙的打開，在低溫下，輸運特性主要由表面態而非體態主導。對應于這種拓撲特性，作者們觀察到了零帶隙半金屬相到帶隙量子自旋霍爾相的轉變，后者伴隨著極高的貝里曲率（Berry curvature）。此外，帶隙的打開可以通過人為施加垂直方向的磁場，破壞反演對稱性來實現。而對于低于4nm的樣品，其帶隙可以自發打開，并伴隨著遲滯和電子相分離。作者們將其歸因于強關聯電子表面態的出現。
圖文解析
● 圖1. RG薄膜的輸運特性。
a)RG中電子的層間躍遷機制，其中亮/暗小球分別代表AB次晶格的碳原子；b)考慮到所有的層間電子躍遷時的RG表面態的色散關系。歪斜躍遷的γ4在平帶以外引入了可觀的能帶展寬2γ4γ1/γ0，并引入了電子-空穴的不對稱性。γ2和γ3的存在導致三角扭曲的能帶。藍色和紅色分別表示導帶和價帶，雙箭頭表示導帶和價帶之間的有限帶重疊；c)當帶隙Δ>2γ4γ1/γ0時RG的能帶。雙箭頭指示帶隙的大??；d)電位移場D=0時RG和HG橫向電阻率xx隨載流子濃度的變化曲線；e)橫向電阻率xx隨電位移場D的變化曲線。
● 圖2. 多層RG中厚度依賴的輸運特性
a-d)四種不同厚度RG的電導率成像；e)臨界電位移場Dc的厚度依賴性，大于該臨界場上，輸運間隙打開；f)固定電位移場D，測試電導率xx的阿倫尼烏斯圖（0.57 Vnm-1（紅色正方形），0.62 Vnm-1（藍色正方形），0.66 Vnm-1（綠色方框），0.76Vnm-1（黃色方塊））。為了比較，在插圖中繪制了D=0 Vnm-1（藍星）時高電阻狀態的熱活化能。
● 圖3. RG中的量子霍爾效應
a)朗道扇形圖與強烈的電子-空穴不對稱性：3nm器件的橫向電導xx隨載流子濃度和磁場的成像xx(n,B)；b)a圖中空穴區關于磁場和朗道能級填充因子的成像xx(,B);c)a圖中電子區關于朗道能級填充因子的微分電導成像dxx/d(,B);d)分別使用帶隙和零帶隙計算的低能（彩色曲線）和高能（黑色）區域的多層RG中的朗道能級。自由粒子和帶隙區域通過相變分開。紅線和藍線分別對應于具有相反自旋（量子自旋霍爾）或具有相反能谷自由度（層間反鐵磁性）的電子狀態。e) 量子自旋霍爾階數對朗道能譜的影響。數字表示填充因子。LL7和LL8表示第零個朗道能級的軌道指數。↑（紅線）和↓（藍線）表示自旋劈裂的朗道能級。ΔQSH指量子自旋霍爾階數，而K和K'是相對的谷底?；疑€劃定了帶隙相和自由電子相的過渡。f)與e相同，但用于層間反鐵磁性。
● 圖4. 多層RG絕緣相中的回滯現象
a)約3.3納米厚RG器件中隨載流子濃度的回滯現象；b)相同器件的隨垂直外外磁場B⊥的磁滯現象；c) 約3.6 nm厚單柵極RG器件隨平行外磁場B||的磁滯現象；d)c圖中的臨界相圖：取決于B||的絕緣相變。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2568-2
