麻省理工学院巨龙团队Nature: 多层石墨烯中的分数量子反常霍尔效应

2024年2月21日，Nature在线发表了麻省理工学院巨龙助理教授课题组的研究论文，题目为《Fractional quantum anomalous Hall effect in multilayer graphene》。

分数量子反常霍尔效应（FQAHE）是零磁场下分数量子霍尔效应的类似物，其在自发时间反演对称性破缺的情况下被预测存在于拓扑平带中。FQAHE的证明可能导致形成拓扑量子计算基础的非阿贝尔任意子。到目前为止，仅在莫尔填充因子为v>1/2的转角MoTe₂中观察到FQAHE。石墨烯基莫尔超晶格被认为是FQAHE的宿主，具有优越的材料质量和更高的电子迁移率的潜在优势。

在此研究中，作者报道了在菱形五层石墨烯-hBN莫尔超晶格中观察到的分数量子反常霍尔效应（IQAHE）和FQAHE。在零磁场下，分别观察到莫尔超晶格在v=1、2/3、3/5、4/7、4/9、3/7和2/5处量子化霍尔电阻R_xy=h/ve²平台，伴随着纵向电阻R_xx的明显下降。R_xy在v=1/2时等于2h/e²，且随v线性变化，类似于高磁场下半填充最低朗道能级中的复合费米液体。通过调节栅极位移场D和v，观察到从复合费米液体和FQAH态到其他关联电子态的相变。这项研究体系为探索零磁场下的电荷分数化和（非阿贝尔）任意子编织提供了一个理想的平台，特别是考虑到同一器件中FQAHE和超导区域之间的横向结。

图1 菱形五层石墨烯-hBN莫尔超晶格的器件结构、拓扑平带和相图

图2 整数量子反常霍尔效应(IQAHE)

图3 分数量子反常霍尔效应(FQAHEs)

图4 反常霍尔效应和半填充时的相变

【论文链接】

Lu, Z., Han, T., Yao, Y. et al. Fractional quantum anomalous Hall effect in multilayer graphene. Nature, 2024, 626, 759–764. https://doi.org/10.1038/s41586-023-07010-7

【其他相关文献】

[1] Cai, J., Anderson, E., Wang, C. et al. Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe₂. Nature, 2023, 622, 63–68. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06289-w

[2] Zeng, Y., Xia, Z., Kang, K. et al. Thermodynamic evidence of fractional Chern insulator in moiré MoTe₂. Nature, 2023, 622, 69–73. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06452-3

[3] Park, H., Cai, J., Anderson, E. et al. Observation of fractionally quantized anomalous Hall effect. Nature, 2023, 622, 74–79. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06536-0