近年来，拓扑材料的研究引发了物理学界的巨大关注。其中，分数量子陈数绝缘体（Fractional Chern Insulator，简称FCI）作为一种新颖的拓扑量子物质状态，因其独特的电子行为和潜在的量子计算应用，成为前沿热点。最新研究发现，六层梳状石墨烯（Rhombohedral Hexalayer Graphene，简称RHG）与六方氮化硼（hBN）摩尔超晶格结合，成功实现了高度可调控的FCI状态，为探索拓扑物理提供了崭新平台。
普渡大学曾一航老师发表了以下见解：
什么是分数量子陈数绝缘体？
在传统的量子霍尔效应中，当二维电子系统处于强磁场下时，电子轨道被量子化，电导呈现出量子化台阶。特别是在分数量子霍尔效应中，电导值是基本量子电导的分数倍，这背后是电子间强相互作用催生出的新奇拓扑态。分数量子陈数绝缘体则是这种现象在无外磁场情况下的晶格版本。也就是说，在没有外加磁场的条件下，通过特殊的电子结构和强相互作用，材料内部依然能够产生类似分数量子霍尔态的拓扑量子态。
这类材料不仅对基础物理研究意义重大，也因其携带的准粒子（如非阿贝尔任意子）在未来量子计算领域有着广阔的应用前景，因而成为当前材料科学和凝聚态物理的研究热点。
六层石墨烯：一个理想的FCI平台
要实现FCI，需要满足几个严格条件：材料要有能带平坦且带有非零陈数（拓扑特征之一），Berry曲率（描述电子波函数拓扑性质的量）要尽可能均匀，同时电子间库仑相互作用必须足够强烈。六层梳状石墨烯正是一种极具潜力的材料，因为它能够通过调节电场实现电子能带的平坦化，并且形成非平凡的拓扑结构。
最新研究中，科学家们将六层梳状石墨烯与六方氮化硼以极小的扭角（约0.2度）对准，形成周期约14.5纳米的摩尔超晶格。这种结构为电子提供了新的周期性潜能，极大地改变了电子的运动方式，促使其形成非零陈数的平坦能带。实验中，在填充因子ν=2/3时，电子表现出强烈的分数量子陈数绝缘体特征——霍尔电阻定量化为3h/2e²（h为普朗克常数，e为电子电荷），纵向电阻则降至极低，表明材料进入无耗散的拓扑态。
可调控的电场与磁场带来的新奇现象
有趣的是，这一FCI状态高度依赖外加的电位移场。通过双门电极精确调控电场，可以推动电子远离摩尔界面，促使分数量子陈数绝缘体的形成。相比之前的五层石墨烯体系，六层结构所需的电场更小，这意味着实验操作更为容易，器件更稳定，避免了介电击穿的风险。
此外，磁场的加入进一步丰富了体系的拓扑物理。垂直磁场的扫描发现，ν=2/3填充因子附近的霍尔电阻多次发生符号反转，但幅值保持稳定，暗示体系经历了一系列连续的拓扑相变。换言之，材料在不同拓扑相之间切换，且无明显滞后效应，表现出极其细腻的拓扑调控能力。这一现象可能与Berry曲率和电子谷极化的变化有关，但具体机制仍待深入研究。
另外，面内磁场也对FCI状态产生影响。实验表明，大约300毫特斯拉的面内磁场即可抑制分数量子陈数绝缘体，推测是磁场引入的垂直动量扰动破坏了脆弱的拓扑基态。
FCI研究的未来展望
这项工作标志着能够承载分数量子陈数绝缘体的摩尔材料家族又添新成员，六层梳状石墨烯成为研究拓扑新相的多功能平台。未来的研究方向包括：
提升材料质量：实现无耗散的边缘电流传输，要求极高的材料纯度和器件工艺。近期扭曲MoTe2取得进展，但要在更广泛体系中实现仍需努力。
探索更丰富的拓扑态：如偶分母FCI态和更高陈数能带上的FCI。这些新态的出现需要精准控制扭角、材料组成和环境等参数。
验证FCI激发态的奇异性质：包括分数量子电荷、量子维度以及非阿贝尔统计，这些特性对实现拓扑量子计算至关重要。
理论与实验的紧密结合：理论模型和数值模拟将引导实验设计，同时实验数据又反哺理论，推动对拓扑平坦能带和电子相互作用机制的深入理解。
最令人期待的是，FCI的实现不依赖大磁场，这大大降低了实验门槛，使得各种先进探测手段得以应用，为未来功能性拓扑器件的设计铺平道路。
结语
六层梳状石墨烯/六方氮化硼摩尔超晶格成功实现了高度可调的分数量子陈数绝缘体，展现了丰富的拓扑相变和电磁调控特性。这一发现不仅深化了我们对拓扑物理的认识，也为实现新型量子器件和量子计算奠定了坚实基础。随着材料科学和实验技术的进步，我们有理由相信，拓扑量子态的梦幻世界将越来越接近现实，开启量子科技的新纪元。
该见解发表在Nature Materials上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02255-1（Tunable fractional Chern insulators）
相关文章：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02225-7（Tunable fractional Chern insulators in rhombohedral graphene superlattices）
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