研究背景
量子霍尔效应是二维电子系统中在强磁场下出现的量子化霍尔电导现象，因其能揭示拓扑有序态和电子多体纠缠特性而在基础物理和量子信息等领域具有广泛应用。与传统的整数量子霍尔态相比，分数量子霍尔态具有分数化电荷激发和任意子统计的独特优势，为拓扑量子计算提供了潜在基础。
然而，传统量子霍尔效应和分数量子霍尔效应均依赖于高磁场条件，这不仅在实验中操作复杂且成本高昂，也限制了其在实际器件和应用中的推广，从而带来了零磁场实现量子霍尔态的科学挑战。
研究内容
为了解决这一难题，普林斯顿大学B. A. Bernevig，麻省理工学院傅亮L. Fu, 巨龙L. Ju, 德克萨斯大学奥斯汀分校A. H. MacDonald以及马克斯普朗克物质结构与动力学研究所K. F. Mak & J. Shan在“Nature Physics”期刊上合作发表了题为“Fractional quantization in insulators from Hall to Chern”的最新论文。该团队通过理论设计和数值模拟，构建了支持平坦Chern能带的格点模型，并提出在扭曲双层过渡金属二硫化物及莫尔菱形多层石墨烯中实现分数量子霍尔态的新方案，成功实现了零磁场下分数量子霍尔效应的观测。
进一步分析表明，这些系统能够在无外加磁场条件下维持稳健的多体能隙，并表现出与传统Landau能级体系类似的量子化霍尔台阶，同时支持分数化电荷激发和拓扑保护的边缘态。这些研究结果不仅验证了理论预测，也为零磁场量子霍尔态及相关拓扑量子态的实验探索提供了可行路径，为未来拓扑量子计算和非常规超导态的研究奠定了坚实基础。
图文导读
1.实验首次在高迁移率二维电子气体中实现量化霍尔效应（整数量子霍尔效应），得到了稳健的霍尔电导量子化台阶，验证了拓扑保护和Landau能级填充规律，同时建立了von Klitzing常数的新定义标准。随后，实验首次观测到分数量子霍尔态，当最低Landau能级部分填充（如1/3）时，出现分数量化的霍尔电导，揭示了不可压缩的分数量子霍尔液体和分数化激发（任意子）现象。
2.实验通过理论模型提出了分数Chern绝缘体和分数拓扑绝缘体概念，并利用格点模型预测了支持平坦Chern能带的量子态，实现了零磁场下分数量子霍尔态的可行性。结合扭曲双层过渡金属二硫化物和莫尔菱形多层石墨烯实验，验证了零磁场分数量子霍尔态的存在，并观察到类似整数和分数量子霍尔态的边缘态和量子化响应。此外，研究表明零磁场实现的量子霍尔态可稳定邻近的奇异物质态，例如非常规超导态，为探索新型拓扑量子态和量子计算提供了实验平台。
图 1 | 量子霍尔效应的示意图。
图 2 | 莫尔过渡金属二硫化物TMDs的电子特性。
图 3 | 分数陈绝缘体fractional Chern insulator，FCI、分数量子反常霍尔效应 fractional quantum anomalous Hall，FQAH和莫尔碲化钼MoTe2中的分数量子自旋霍尔效应quantum spin Hallfractional，FQSH证据。
图 4 | 莫尔菱方石墨烯中的分数量子自旋霍尔效应FQAH和分数陈绝缘体FCI。
图 5 | 莫尔菱方石墨烯中的分数陈绝缘体FCI理论。
结论展望
本文揭示了在无外加磁场条件下实现分数量子霍尔态的可能性，展示了拓扑能带工程、量子几何和强电子关联的深度交互，为零磁场拓扑量子态的设计提供了理论和实验基础。这一研究不仅拓展了量子霍尔效应的物理内涵，使我们对拓扑有序和分数化激发的理解更加全面，也为探索新型拓扑物质态开辟了途径。尤其是在莫尔材料和扭曲双层过渡金属二硫化物中实现的零磁场分数量子霍尔态，为研究非常规超导态、非阿贝尔任意子以及潜在的容错拓扑量子计算提供了可操作平台。此外，零磁场条件下稳定的拓扑量子态避免了高磁场实验的技术限制，使相关量子器件在实际应用中更具可行性。总体而言，这一研究不仅丰富了凝聚态物理的基础理论，也为拓扑量子信息、量子材料设计和未来量子技术发展提供了新的科学启示与实践路径。
该文章发表于Nature Physics上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41567-025-03072-8
