beat365官方网站量子材料科學中心盧曉波課題組與合作者開展了菱方石墨烯莫爾超晶格體系中關聯與拓撲物态的研究。他們通過制備高質量的菱方六層石墨烯莫爾超晶格樣品，利用極低溫輸運測量手段結合理論計算揭示了分數陳絕緣體中的量子反常霍爾效應及其拓撲量子相變現象。該研究成果以“菱方石墨烯超晶格中可調的分數陳絕緣體”(Tunable fractional Chern insulators in rhombohedral graphene superlattices)為題，于4月22日在線發表于《自然∙材料》(Nature Materials)期刊。

在傳統凝聚态體系中，電子行為通常由晶格勢場和弱相互作用決定。而在某些體系中，電子之間強的庫侖相互作用可以驅動系統進入新的拓撲量子态，例如分數量子霍爾效應就是最早發現的此類量子态之一，其依賴于二維電子氣在強磁場下形成的拓撲有序相。近年來，有理論預言稱，在具備拓撲非平庸平帶結構的系統中，即使在零磁場條件下，也可能實現拓撲有序與強關聯的結合态——分數陳絕緣體。分數陳絕緣體在拓撲電子學領域扮演了重要的角色，它結合了拓撲平帶和電子之間的強相互作用，可實現類似分數量子霍爾效應的現象，但無需外加磁場——分數量子反常霍爾效應。這一特性使得分數陳絕緣體在實現拓撲量子計算尤其是非阿貝爾任意子和分數統計等方面具有重要的潛力。近期在二維系統中，分數量子反常霍爾效應在轉角二碲化钼和菱方五層石墨烯莫爾超晶格中被觀測到。

圖1（a）器件光顯照片和結構示意圖。（b）零磁場下的縱向電阻随着莫爾填充因子(v)和電位移場(D)的變化。（c-e）v= 1處的陳絕緣體和量子反常霍爾效應。（f-g）理論計算的能帶圖。

圖2（a）分數填充區域縱向電阻随着填充因子和電位移場的變化。（b）2/3填充處縱向電阻和霍爾電阻的電位移場依賴關系。（c）縱向電阻和霍爾電阻随着填充因子的變化。（d-e）分數量子反常霍爾效應的面内磁場依賴關系。

在本項工作中，團隊成功構建了高質量的菱方六層石墨烯/六方氮化硼莫爾超晶格器件（圖1a）。通過極低溫下的電輸運測量，研究團隊在莫爾填充因子v= 1處發現了陳數為1的量子反常霍爾态（圖1b-e），理論計算亦驗證了該拓撲指标（圖1f-g）。進一步測量發現，在0 <v< 1的分數填充區域仍存在顯著的反常霍爾信号，其中v= 2/3處展現出分數量子反常霍爾效應，确認該量子态為分數陳絕緣體。該量子态對電位移場極為敏感，電場降低将引發其向常規費米液體态的連續相變（圖2a-c）。此外，分數量子反常霍爾效應還表現出對面内磁場的顯著響應（圖2d-e），提示可能存在自旋軌道耦合或面内軌道效應引發的基态演化。

圖3（a-b）縱向電阻和霍爾電阻在垂直磁場中的依賴關系。（c）2/3填充處的霍爾電阻随着垂直磁場和電位移場的變化。（d-e）2/3填充處的縱向電阻和霍爾電阻的溫度依賴關系。（f）拓撲量子相變的兩種物理機制。左圖：谷極化狀态的切換；右圖：載流子類型的改變。

更為引人注目的是，在施加垂直磁場的情況下，v= 2/3處的分數陳絕緣體展現出拓撲手性翻轉行為，對應的縱向電阻斜率與霍爾電阻符号均發生反轉（圖3a-e），表明體系經曆了拓撲量子相變。這種手性翻轉可能源于貝利曲率符号的變化，進而反映出體系準粒子激發的轉變或谷極化态的躍遷（圖3f），為進一步理解分數量子反常霍爾态的内部機制提供了新線索。

圖4（a）計算的有效相互作用強度随着電位移場的變化。（b-g）施加不同莫爾勢計算的能帶圖。（h）實空間的電荷密度分布計算。左圖：莫爾勢設置為0；右圖：莫爾勢設置為1。

理論方面，團隊系統分析了莫爾勢對六層菱方石墨烯電子結構的影響（圖4）。研究發現，莫爾勢對分數陳絕緣體的形成至關重要。在缺失莫爾勢的情況下，體系維持為拓撲平庸态，而引入莫爾勢後，可顯著打開拓撲能隙，形成穩定的陳絕緣體，強調了莫爾周期勢調制在構建拓撲強關聯态中的關鍵作用。

該工作不僅擴展了分數量子反常霍爾态的材料體系，也進一步确立了菱方多層石墨烯作為探索強關聯拓撲物态的重要平台。具備電場與磁場可調性的分數陳絕緣體為未來實現非阿貝爾任意子與拓撲量子計算提供了新的可能。

beat365量子材料科學中心2022級博士研究生謝鍵為本文的第一作者，盧曉波和上海科技大學劉健鵬為本文的共同通訊作者。beat365官方网站謝心澄院士、劉開輝教授和宋志達助理教授在理論和實驗方面提供了大力支持。該工作得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金、合肥實驗室、遼甯材料實驗室以及beat365學科建設經費的支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02225-7