Spin-Polarized Nematic Order, Quantum Valley Hall States, and Field-Tunable Topological Transitions in Twisted Multilayer Graphene Systems

凝聚态物理 物理 塞曼效应 石墨烯 拓扑绝缘体 量子霍尔效应 库仑 拓扑序 基态 量子自旋霍尔效应 双层石墨烯 量子相 磁场 量子力学 量子反常霍尔效应 拓扑(电路) 液晶 量子态 绝缘体(电) 量子 量子相变 Chern类 莫特绝缘子 相变 石墨烯纳米带 电子 电子能带结构 拓扑量子数 电荷(物理)
作者
Shihao Zhang,Xi Dai,Jianpeng Liu
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:128 (2): 026403-026403 被引量:31
标识
DOI:10.1103/physrevlett.128.026403
摘要

We theoretically study the correlated insulator states, quantum anomalous Hall (QAH) states, and field-induced topological transitions between different correlated states in twisted multilayer graphene systems. Taking twisted bilayer-monolayer graphene and twisted double-bilayer graphene as examples, we show that both systems stay in spin-polarized, C_{3z}-broken insulator states with zero Chern number at 1/2 filling of the flat bands under finite displacement fields. In some cases these spin-polarized, nematic insulator states are in the quantum valley Hall (QVH) phase by virtue of the nontrivial band topology of the systems. The spin-polarized insulator state is quasidegenerate with the valley polarized state if only the dominant intravalley Coulomb interaction is included. Such quasidegeneracy can be split by atomic on-site interactions such that the spin-polarized, nematic state become the unique ground state. Such a scenario applies to various twisted multilayer graphene systems at 1/2 filling, thus can be considered as a universal mechanism. Moreover, under vertical magnetic fields, the orbital Zeeman splittings and the field-induced change of charge density in twisted multilayer graphene systems would compete with the atomic Hubbard interactions, which can drive transitions from spin-polarized zero-Chern-number states to valley-polarized QAH states with small onset magnetic fields.
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