首次实现高陈数拓扑平带分数化

自20世纪80年代分数量子霍尔效应被发现以来，探索具有分数化电荷激发和任意子统计特性的拓扑物态一直是物理研究的前沿方向。然而，传统分数量子霍尔效应依赖于极强外加磁场形成的Landau能级，这不仅增加了实现难度，也限制了其未来应用。

近年来，“分数陈绝缘体”的提出与实现为这一问题提供了新的思路。它利用材料本身的拓扑能带和电子间强关联作用，在零磁场条件下即可形成数量子反常霍尔态。目前，实验上观测到的分数态可以很好的被传统的 Landau能级图像（如经典的 Jain 复合费米子序列）或现有的拓扑理论所解释。因此，寻找零磁场下超越传统 Landau 能级描述的全新分数拓扑物态，成为该领域一个至关重要的科学问题。高陈数拓扑平带的分数化为该问题的突破提供了新的方向。相对于单个Landau能级（陈数为C = 1），拓扑平带的陈数可以为任意整数，因此基于高陈数（C > 1）拓扑平带实现的分数陈绝缘体有望带来超越传统拓扑理论框架的新物理。

近期，北京大学物理学院卢晓波、宋志达、刘开辉等团队紧密合作，成功在转角菱方石墨烯中，观测到空前丰富的高陈数量子反常霍尔态，并进一步实现了高陈数拓扑能带的奇异分数化。具体而言，他们利用双层石墨烯与菱方四层石墨烯构建了全新的莫尔体系（图1）。

图1. 转角莫尔器件结构(a)与布里渊区（b）示意图。

由于关联电子与贝里曲率场的深度耦合，该系统产生了系列新的关联拓扑态。首先在莫尔填充数v = 1处，团队发现了可受电场调控的两种量子反常霍尔态，其对应陈数为C = 3和C = 4（图2）；随后在v = 3附近进一步发现了陈数从|C| = 1至|C| = 7连续演化的多个量子反常霍尔态（图3）。在单一系统中激发出高丰度的量子反常霍尔态，这一发现在国际上尚属首例。尤其在非公度填充处，实验上观测到不同的量子反常霍尔态可以通过调节载流子浓度连续切换，表明电子在库仑作用的驱动下，自发地破缺了空间的连续平移对称性。这一奇异的现象与近年来广受关注的 “反常霍尔晶体”理论预言高度一致。

图2. 电场可调控的高陈数莫尔平带。在莫尔填充数v = 1附近观测到陈数为C = 3和C = 4的陈绝缘体，并可通过电场原位切换。

图3. 非公度填充处的高陈数量子反常霍尔态。同一器件中实现了陈数从|C| = 1到|C| = 7的多个量子反常霍尔态的连续演化。

更进一步，团队在v = 2/3处首次报道了全新的分数陈绝缘体态，其霍尔电阻量子化到 R_xy = 3h/7e² （图4 g-l），并且该数值严格服从 C = 7/3 分数量子反常霍尔态的Streda 公式。目前，这一基于高陈数拓扑平带分数化得到的分数态无法用传统的分数量子霍尔效应理论（如经典的 Jain 复合费米子序列）或现有的高陈数拓扑理论所解释，也超越了当前主流理论模型的预测范围。该实验研究不仅拓展了人们对关联拓扑物态的认知边界，更由于高陈数拓扑态所带来的多通道边缘态特性，为在零磁场下探索非阿贝尔任意子及拓扑量子计算提供了全新的非 Landau 能级范式。

图4. 分数填充（v = 2/3）处实现高陈数拓扑平带的分数化并观测到C = 7/3的分数陈绝缘体。a-c,三个不同器件径向电阻率的变化。d-f,三个不同器件霍尔电阻率的变化。g-i，上图黑色虚线所示位置电阻率的变化。j-l,三个器件在v = 2/3处的磁滞回线。m-r,三个不同器件的电阻率随磁场的变化，v = 2/3填充处展现出C = 7/3。

相关成果以“Fractional High-Chern Insulator in Twisted Rhombohedral Graphene”为题，于2026年7月16日在线发表于Nature。该论文的共同第一作者为北大物理学院的博士生李泽旭、王法杰以及博士后王文轩。卢晓波、宋志达、刘开辉以及王文轩为该论文的共同通讯作者。北京大学物理学院谢心澄、王捷给予了重要的理论指导，张再哲、阳秋参与了器件制备与测量工作。日本NIMS的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi 提供了氮化硼衬底。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京凝聚态物理国家研究中心开放课题等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10762-7