文章来源：纳米人
研究背景
分数陈绝缘体（Fractional Chern Insulators, FCIs）是一类拓扑量子材料，因其在零外磁场下展现出分数量子霍尔效应而受到广泛关注，具有在低功耗拓扑电子器件和拓扑量子计算等领域的重要应用前景。
在对分数填布、拓扑非平庸的Haldane Model、Kagome Lattice等体系的数值模拟中，确实观测到了热力学极限下有限大的many-body gap、非平庸的GSD、分数激发等现象，物理学家们便把这种新奇的拓扑物态命名为“分数陈绝缘体”(Fractional Chern Insulator, FCI)。
与传统的分数量子霍尔材料相比，FCIs无需强磁场即可实现分数量子化输运行为，具备低能耗、可调控性强、器件集成度高等优势。然而，FCIs的实验实现极具挑战性，依赖于能带的极度平坦性、均匀分布的Berry曲率、强电子关联作用等因素的协同满足，因此如何设计和调控体系以稳定分数量子态成为该领域面临的核心挑战。
有鉴于此，北京大学卢晓波团队和上海科技大学刘健鹏课题组合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Tunable fractional Chern insulators in rhombohedral graphene superlattices”的最新论文。该团队基于菱方六层石墨烯（rhombohedral hexalayer graphene, RHG）与六方氮化硼（hBN）构成的莫尔超晶格体系，通过精准调控垂直电场和磁场，实现了多个整数与分数量子反常霍尔态的调控与观测。特别是在莫尔填充因子ν = 2/3处，该体系展现出稳定的分数量子霍尔态，且在相变过程中保持量子化的霍尔电阻，揭示了该拓扑态的稳固性。研究还通过理论计算阐明了莫尔势在构建拓扑平带中的关键作用，为平坦陈能带的形成提供了直接证据。该工作不仅扩展了分数陈绝缘体的材料体系，也为后续实现非阿贝尔任意子和发展拓扑量子计算奠定了坚实基础。
研究亮点
（1）实验首次展示了由菱方六层石墨烯（RHG）与六方氮化硼（hBN）构成的莫尔超晶格系统，表现出整数和分数量子反常霍尔效应（FQAHE）。这一研究为拓扑电子器件和分数陈绝缘体的探索提供了新的实验平台。
（2）实验通过调控电场和磁场在0<ν<1的莫尔填充因子范围内，观察到了霍尔电阻率在有限磁场下符号反转的相变现象。特别是在ν=2/3的分数陈绝缘体态下，量子化的霍尔电阻率在不同相之间保持一致，展现出强稳定性。
（3）研究还通过理论分析证明了莫尔势在形成平坦陈带中的关键作用。莫尔势不仅能有效调控电子的相互作用，还能实现均匀的Berry曲率分布，从而为实现分数量子反常霍尔效应提供了有力支持。
图文解读
图1:六层菱方石墨烯RHG/六方氮化硼hBN莫尔超晶格中的拓扑平带。
图2: ν=2/3时的分数陈绝缘体fractional chern insulator，FCI。
图3: 0<ν<1范围内，B⊥场的相变
图4: 六层石墨烯的相互作用强度、电荷密度分布和能带结构计算。
结论展望
总之，本文报道了一种由RHG/hBN莫尔超晶格构成的新型系统，展示了整数和分数陈绝缘体。ν = 2/3处的FCI态具有丰富的可调性，可以通过电场（D场）、垂直磁场（B⊥场）和平行磁场（B∥场）进行调控。由B⊥场引起的ρxy符号反转在现象学上表明基于切换谷或载流子类型的量子相变，而ν = 2/3处的稳健FCI态在两个相中均能生存。鉴于该系统的高度可调性，未来通过更多的调控手段（如扭转角、介电环境和栅极限制）进行的实验有望为分数量子电荷和非阿贝尔任意子等研究提供新的见解。
原文详情：
Xie, J., Huo, Z., Lu, X. et al. Tunable fractional Chern insulators in rhombohedral graphene superlattices. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02225-7
