近日，6163银河线路检测中心量子材料科学中心卢晓波、宋志达团队与凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉团队合作，在转角菱方三层石墨烯体系中观测到陈绝缘体的“隐藏开关”效应，并实现了转角调控的高陈数拓扑态。相关成果以“转角晶体平带中的可编程量子反常霍尔绝缘体”（Programmable Quantum Anomalous Hall Insulator in Twisted Crystalline Flatbands）为题发表于《物理评论 X》（Physical Review X）。

莫尔晶体因为转角和堆垛方式都可以精细调控，正在推动电子能带工程进入一个全新的阶段。自“魔角”石墨烯被发现以来，石墨烯莫尔体系一直是研究强关联电子行为的重要材料平台。当前石墨烯体系实现强关联莫尔平带主要有两条技术路线：第一类以单层或伯纳尔堆垛的少层石墨烯为基本单元，通过转角形成莫尔周期势，并与层间跃迁共同作用产生平带（典型如魔角双层及其多种衍生结构）。第二类以菱方堆垛石墨烯与六方氮化硼（hBN）对齐为代表，菱方石墨烯本身在低能区就具本征能带特性，叠加 hBN 诱导的莫尔超晶格后，能带被折叠并形成类似转角体系的莫尔平带。

相比以上两类体系,转角菱方石墨烯同时受到莫尔周期势、层间耦合以及低能本征平带三重因素的共同调制，因此被认为是更有潜力显著增强强关联效应的新型莫尔石墨烯平台。近年来在菱方石墨烯/hBN 超晶格中已经观察到多种对称性破缺量子态（例如分数陈绝缘体态与超导等），但转角菱方石墨烯中的关联量子现象研究仍相对稀少。其主要挑战在于菱方堆垛属于亚稳结构，在多次堆垛过程中更容易发生结构相变，从而提高了样品制备与稳定控制的难度。卢晓波团队通过发展高通量的转移制备技术，大幅提高了样品制备效率，解决了这个难题。

在小转角（θ=1.20°）器件中，研究团队在莫尔填充数 ν=1 处观测到陈数为 C=3 的陈绝缘体（图1a），并在零外磁场附近出现量子反常霍尔效应的量子化输运特征（图1b）。更进一步，实验揭示了随电位移场与载流子密度调控出现的明显滞回、多重一阶相变和简并度破缺，反映出不同对称性破缺的量子态之间的竞争（图1c-d）。在特定参数区间，体系还出现可使陈绝缘体被“熄灭”的隐藏序，表现为扫描超过阈值后，反向扫描中陈绝缘体态突然消失的“隐藏开关”现象（图1e）。研究还从能带角度讨论了隐藏序的可能来源，例如平带与远端能带杂化引发的对称性变化或能带拓扑重构。

图1: 小角度转角菱方石墨烯的电输运测量结果。（a）电阻随莫尔填充数和垂直磁场的变化，其中ν=1处C=3的陈绝缘体态满足Streda公式C=h/e(∂n/∂B)。（b）ν=1处 C=3的量子反常霍尔效应。（c）垂直磁场1T下电阻随ν和电位移场D/ε₀变化的相图，其中ChI、QM和SPM分别对应陈绝缘体态，四分之一金属态和自旋极化的金属态。（d）图（c）虚线对应的电阻随ν的变化，振荡周期分别对应二重简并和一重简并。（e）霍尔电阻在不同ν扫描范围时的滞回行为，当ν超过阈值时，反扫时陈绝缘体态消失，即隐藏开关现象。

在略大转角（θ=1.61°）器件中，ν=1 处的陈绝缘体不再稳定，但在分数填充 ν=1/4、1/3 与 1/2 处观测到陈数为 C=1 的陈绝缘体态（图2d-f），并呈现清晰的量子化输运信号。该结果表明，转角变化能够显著重塑莫尔能带的拓扑结构与相互作用，从而在同一材料平台内实现对不同拓扑量子态的选择与调控。

上述研究展示了转角菱方石墨烯作为“晶体平带”平台的独特优势，为探索可编程、高陈数的关联拓扑量子态提供了新的实验体系，也为面向量子存储与计算的低耗散器件方案提供了物理基础。

图2: 角度略大的转角菱方石墨烯的电输运测量结果。（a-b）垂直磁场0.1T下电阻和霍尔电阻随ν和电位移场D/ε₀变化的相图，在分数填充处，电阻趋近于零，霍尔电阻趋近于h/e²。 （c）不同层间电势Δ下态密度随能量的变化。（d-f）分数填充ν=1/4，1/3和1/2处C=1的量子反常霍尔效应。（g）电阻随莫尔填充数和垂直磁场的变化，其中分数填充处C=1的陈绝缘体态满足Streda公式C=h/e(∂n/∂B)。

6163银河线路检测中心量子材料科学中心博雅博士后王文轩和博士研究生王一杰为该论文的共同第一作者，卢晓波助理教授、宋志达助理教授和刘开辉教授为该论文的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/7m1b-hxy8