摘要：拓扑平带中的电子可以在相关效应的驱动下形成新的拓扑态。五层菱面体石墨烯/六方氮化硼 (hBN) 莫尔超晶格被证明在大约 400 mK 时具有分数量子反常霍尔效应 (FQAHE)，引发了围绕莫尔效应的基本机制和作用的讨论。特别是，已经提出了具有非平凡拓扑的新电子

拓扑平带中的电子可以在相关效应的驱动下形成新的拓扑态。五层菱面体石墨烯/六方氮化硼 (hBN) 莫尔超晶格被证明在大约 400 mK 时具有分数量子反常霍尔效应 (FQAHE)，引发了围绕莫尔效应的基本机制和作用的讨论。特别是，已经提出了具有非平凡拓扑的新电子晶体态。

在这里，麻省理工学院物理系巨龙教授团队报告了一项研究，通过电传输测量，探索了电子温度低至 40 mK 时菱面体五层和四层石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格的特性。研究发现，在五层器件中，出现了比之前报道多出两个的分数量子反常霍尔态，同时伴随更小的 Rxx 值。而在新的四层器件中，作者在莫尔填充因子 v = 3/5和2/3下观察到 FQAH 效应。在基础温度和小电流条件下，研究还发现了一种全新的扩展量子反常霍尔态和磁滞现象，其特征是 Rxy=h/e2和 Rxx 的完全消失。这种状态在 v从0.5到1.3的宽范围内稳定。然而，随着温度或电流升高，EQAH 态逐渐消失，部分转变为 FQAH 液体。此外，作者还观察到，由位移场驱动的从 EQAH 态到费米液体、FQAH 液体以及可能的复合费米液体的量子相变。相关成果以“Extended quantum anomalous Hall states in graphene/hBN moiré superlattices”为题发表在《Nature》上，第一作者为博士后路正光，韩同航和姚宇轩(之前为清华大学本科访问生，2024年1月成为莱斯大学博士生)为论文共同第一作者！

值得注意的是，在此之前路正光、韩同航合作以共同第一作者已发表了2篇《Nature》和1篇《Science》，这是他们合作的第四篇正刊，这是姚宇轩作为访问生在本科期间的第三篇正刊，被称为2D材料堆栈奇才！

五层和四层石墨烯中的 FQAHE

研究展示了在低温条件下（最低至10 mK），菱面体四层和五层石墨烯/六方氮化硼（hBN）莫尔超晶格中观察到的分数量子反常霍尔效应。图 1a 显示了器件的原理图，其中 FQAHE 在电子远离莫尔超晶格极化时出现。改进的滤波器使电子温度显著降低，Rxy 和 Rxx 的变化在多个填充因子处表现为量化平台和电阻下降（图 1b）。在新开发的四层器件（图 1d）中，同样在 v=3/5,2/3,1 等填充因子下观察到稳定的 FQAHE，且 Rxx 值更低。此外，器件 1 和 2（五层）与器件 3（四层）之间的扭转角差异（约 0.77° 和 0.22°）导致电荷密度的不同，可能解释了它们之间分数态数量的差异（图 1c）。这些结果与理论预测一致，进一步确立了 hBN 莫尔超晶格作为 FQAHE 材料家族的重要地位，为拓扑量子态的研究提供了新的视角。

图 1：菱形五层和四层石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格器件中的 FQAHE

EQAH 状态

图 2 展示了设备 1 在不同条件下的关键特性，揭示了三个区域的独特行为（图 2a, b）。区域 1 以菱形覆盖 v=1/2 附近，区域 2 从 v=0.55 延伸至 v=0.9，区域 3 则涵盖 v=0.93 至 v=1.03。这些区域包括一个显著的反常霍尔区，连接了低 v 下的绝缘区域（可能为维格纳晶体）和分数量子反常霍尔（FQAHE）区域。在低温（10 mK）下，Rxx 在 v=0.5–1.3 范围内几乎完全消失，而 Rxy 呈现宽平台（图 2c, d）。在四层器件中，区域 2 和 3 的特性合并，Rxy 平台扩展至 v=1.3，显示了与传统 FQAHE 不同的行为。图 2e, f 中的磁滞数据进一步证实了这些量化状态的存在，这些状态被命名为扩展量子反常霍尔态。EQAH 不依赖于底层莫尔超晶格，并覆盖了比任何 FQAHE 更广的范围，显示出其作为新拓扑电子态的普遍性和重要性，为拓扑物理的研究提供了全新视角

图 2：器件 1（五层器件）中的 EQAH 状态

电流引起的 EQAH 状态击穿

图 3 展示了 EQAH 状态在不同电流激励下的行为。通过施加直流电流并叠加微小交流电流，研究发现，当电流逐渐增加至 2.3 nA 时，Rxy 的宽平台（图 3a）和 Rxx 的零电阻状态（图 3b）逐渐消失，转变为类似高温条件下的特性曲线。这表明，高电流激励会削弱 EQAH 状态，使其被 FQAH 液体所取代。与温度升高不同，电流增加引发了非单调变化：Rxx 在某些填充因子下先升后降，而 Rxy 则出现类似的非单调行为（图 3a, b）。在两个典型 EQAH 状态中（图 3c-f），Rxx 在低电流下保持为零，但在临界电流时出现峰值，与此同时，Rxy 从稳定值突然跳变。这种阈值行为在高温下消失，电阻特性趋于稳定。这种现象与超导体的临界行为和陈绝缘体的击穿特性类似，但 EQAH 状态的击穿机制与传统陈绝缘体截然不同，展现了其独特的非线性电流响应特性

图 3：器件 1（五层石墨烯/六方氮化硼器件）中 EQAH 态的分解

D诱导的相变

位移场 D 是调节石墨烯平带物理的重要因素，通过微调 D 可以影响不同基态之间的竞争（图 4a, b）。在特定的 D 范围内，观察到的电阻行为与 EQAH 态一致，其中 R xy 呈现量化平台，R xx降至零，表明从复合费米液体（CFL）到 EQAH 再到谷极化费米液体的量子相变。进一步研究显示，这种平台仅在低温和小电流条件下出现，而 CFL 态则不显示这种依赖性（图 4c-f）。此外，EQAH 态下的击穿仅发生在低温，而高温下则保持稳定（图 4g, h），这明确区分了 EQAH 和 CFL 的本质差异。在某些分数填充因子（如v=3/5,4/7,5/9）下，位移场还能够诱导从 EQAH 到 FQAH 或费米液体的相变（图 4i-n）。基础温度下，这些相变呈现为 R xy 的量化平台，而高温会导致 EQAH 态消失，转变为其他态，具体取决于 D 和温度的变化。进一步调整 D 还能引发相变至费米液体或维格纳晶体。这些结果表明，位移场不仅是调控拓扑量子态的重要工具，还能实现复杂的相变调节。

图 4：从 EQAH 状态到 CFL 和 FQAH 液体的相变

小结

本研究表明，EQAH 态是一种全新的拓扑电子相，零磁场下表现出量子化的电阻特性（图 1, 图 2），并具有明显的温度和电流依赖性。EQAH 态可能由两种机制形成：一是类似量子反常霍尔晶体（QAHC），通过莫尔条纹调制能带结构和贝里曲率分布而稳定；二是类似高磁场下的重入量子霍尔效应（RQHE），由量子霍尔液体和拓扑平凡的维格纳晶体共同贡献。EQAH 态的独特之处在于它发生在零磁场下，并且覆盖较宽的填充因子范围，显著区别于传统量子霍尔态和陈绝缘体。尽管 EQAH 态可能与电子晶体有关，其零磁场下的存在仍是前所未见的现象。未来实验可以通过晶格测量或噪声分析进一步验证其电子晶体特性。这一发现为探索 QAHC 和拓扑电子态提供了新机会，揭示了前所未有的物质状态。

来源：大眼儿话科学