卢晓波课题组与合作者揭示魔角石墨烯中零磁场的陈绝缘体级联
2025-07-04
北京大学物理学院量子材料科学中心卢晓波课题组与合作者开展了与hBN（六方氮化硼）衬底对齐的魔角双层石墨烯中强关联拓扑物态的研究。他们通过制备高质量的魔角双层石墨烯/hBN样品，结合极低温强磁场的电学输运测量实验手段以及理论计算手段揭示了一系列的零磁场陈绝缘态。该研究成果以“魔角石墨烯中零磁场的陈绝缘体级联”(Cascade of Zero-field Chern Insulators in Magic-angle Bilayer Graphene)为题，于7月3日在线发表于《国家科学评论》(National Science Review)期刊。
电子-电子的强关联与对称性破缺之间的相互作用会对材料的拓扑性质产生深远影响，在魔角双层石墨烯中，当C2z或C2zT对称性被打破时，电子关联可以使得每个能带都可以获得非0的陈数。目前，零磁场下观测到的魔角石墨烯中具有（量子）反常霍尔效应的陈绝缘态仅限于导带，关于价带的拓扑性质，目前仍然缺乏深入的理解。
图1. 与hBN对齐的魔角石墨烯中的陈绝缘态。
在本项工作中，研究团队制备了转角为1.15度的魔角石墨烯/h-BN器件D1。当填充因子v被调控到奇数填充v=±1和±3时，霍尔电阻Ryx在零磁场附近发生强烈的符号反转（图1d）；当固定填充因子，来回扫描垂直磁场（图2a-d），发现纵向电阻Rxx和霍尔电阻Ryx都有非常明显的回滞行为，霍尔电阻Ryx在零磁场下分别可以达到一个量子化平台电阻（h/e2）的90.2%（v= -3）、83.5%（v= -1）、63.7%（v= 1）和91.3%（v= 3）。类似现象可以在另外一个器件D2中被观察到，表明了实验结果的可靠性和可重复性。
图2. 磁滞回线。
图3. 样品D2中v=-7/2时对称性破缺的陈绝缘态。
与器件D1不同，器件D2具有全局的底栅，由此可以更清楚地分辨出v=-4附近的能带绝缘态和其他关联相。有趣的是，在v=-7/2处观测到了零磁场的对称性破缺的陈绝缘态，这是该态首次在魔角双层石墨烯中被观测到。以上的实验结果都与理论计算高度吻合（图3）。
图4. v=-3附近的磁场稳定的非公度的陈绝缘态（IChI）。
此外，在v=-3附近，施加了垂直磁场后，量子化的霍尔电阻延伸到了较大的填充因子范围内，严重违背了Streda公式（非公度的陈绝缘体，IChI），IChI态背后的物理机制认为与进一步掺杂陈绝缘体能隙之上的子能带后，电子晶体的形成有关（图4）。
该工作首次在价带中实验观测到零磁场陈绝缘态，丰富了C2z对称性破缺下魔角石墨烯的拓扑相图。
北京大学量子材料科学中心2021级博士研究生张再哲、电子科技大学硕士研究生杨景欣和上海科技大学博士研究生解博为本文的共同第一作者，北京大学卢晓波助理教授、上海科技大学刘健鹏副教授和电子科技大学刘涛教授为本文的共同通讯作者。北京大学刘开辉教授、宋志达助理教授和国家纳米科学中心戴庆教授在理论和实验方面提供了大力支持。该工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金、合肥实验室以及北京大学学科建设经费的支持。