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研究背景
量子反常霍尔效应（QAHE）是一种在零磁场下具有量子化霍尔电阻的强拓扑现象。在相关效应的驱动下，拓扑平面带中的电子可以形成新的拓扑态。五层菱形石墨烯/六方氮化硼（hBN）莫尔超晶格在大约400 mK时显示出分数量子反常霍尔效应（FQAHE）），引发了围绕莫尔效应的潜在机制和作用的讨论。特别是，提出了具有非平凡拓扑结构的新电子晶体态。
成果简介
麻省理工学院物理系巨龙（通讯作者）团队报告了在电子温度低于 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电子输运测量。研究发现，在五层石墨烯器件中，观察到比之前报道的多两个的分数量子反常霍尔（FQAH）态以及更小的 Rxx 值。在新的四层石墨烯器件中，在莫尔填充因子 v = 3/5和2/3下观察到 分数量子反常霍尔效应（FQAHE）。
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，其中 Rxy = h/e2， Rxx在0.5 ~ 1.3的宽v范围内消失不见。当温度或电流升高时，EQAH 态逐渐消失，部分转变为 FQAH 液体。
此外，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。该项结果建立了零磁场下具有量子化霍尔电阻的电子的新拓扑相，丰富了拓扑平坦带材料中的涌现量子现象。相关成果以“Extended quantum anomalous Hall states in graphene/hBN moiré superlattices”为题于2025年1月22日发表在Nature上，第一作者为博士后路正光，韩同航和姚宇轩为论文共同第一作者，巨龙教授为论文的通讯作者。
图文导读
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
图2 五层石墨烯器件（器件1）中的 EQAH 状态
图3 五层石墨烯/六方氮化硼器件（器件1）中 EQAH 态的击穿
图4 从 EQAH 态到 CFL 和 FQAH 液体的相变
总结展望
通过对零磁场下宽v范围内量子化电阻特性的观察，电阻的温度依赖性和输运中的强阈值行为表明，EQAH态是一种全新的拓扑电子相。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。
在任何一种情况下，EQAH态都不同于迄今为止实验观察到的其他拓扑态，因为它发生在（1）零磁场下，因此不同于所有量子霍尔态；（2）在宽v范围内，因此不同于特定电荷密度下的所有陈绝缘体。图像和电输运的阈值行为都表明，在EQAH状态下存在潜在的电子晶体。在二维空间中，在高磁场和莫尔超晶格或另一层承载电子的情况下，已经实现了具有大有效质量的拓扑平凡电子晶体。
然而，在零磁场下，没有观察到含有电子晶体的拓扑状态。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。这些测量需要先进的设备工程，低电子温度和新的显微镜技术，这超出了本研究的范围。
文献信息
Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Zach Hadjri, Jixiang Yang, Junseok Seo, Lihan Shi, Shenyong Ye, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi & Long Ju*, Extended quantum anomalous Hall states in graphene/hBN moiré superlattices, Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08470-1
作者简介
巨龙，2009年毕业于清华大学物理系，2015年在加州大学伯克利分校取得物理学博士学位，随后曾作为博士后在康奈尔大学卡弗里纳米科学研究所以及原子和固体物理研究所开展研究。2019年1月正式入职麻省理工学院物理系任助理教授。研究方向为新型二维材料及其异质结的基础物性研究，专注于通过融合光学、微器件加工及电学输运测量等跨领域实验手段，揭示更多关于石墨烯材料的全新物理特性和应用前景，至今以第一/通讯作者已发表4篇Nature、3篇Science。入选《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”2020 年中国区榜单，以及2022年斯隆研究奖获奖名单。
路正光，麻省理工学院物理系博士后，合作导师：巨龙教授；2012年本科毕业于南开大学；2020年博士毕业于美国佛罗里达州立大学。
韩同航，麻省理工学院物理系博士生，导师：巨龙教授；2020年本科毕业于清华大学物理系。
姚宇轩，现莱斯大学物理系博士生；本科毕业于清华大学物理系，期间于杨鲁懿副教授课题组进行创新科研训练，2022-2023年于麻省理工学院物理系进行本科生访问项目研究，指导导师：巨龙教授。2024年1月成为莱斯大学物理系博士生。
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