研究背景
菱方多层石墨烯是近年来涌现的一类重要拓扑关联体系，已在其中观测到整数与分数量子反常霍尔效应、手性超导等丰富物相。然而，目前对菱方多层石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格中轨道磁性相关现象的研究，绝大多数集中在|ν| ≤ 1的低填充区间（每个莫尔原胞一个电子或空穴）。与此形成对照的是，小角度扭转过渡金属硫族化合物（如扭转WSe2和扭转MoTe2）在更高填充处已展现出极为奇特的物态，例如扭转MoTe2在ν = 2、4、6处出现多重量子自旋霍尔绝缘体。石墨烯基莫尔体系在高填充处的拓扑性质则仍是空白。
另一方面，在各类莫尔体系中，量子反常霍尔效应或陈绝缘体通常只在|ν| = 1和|ν| = 3处实现，对应于完全谷极化的状态。在偶数填充（如ν = 2）处获得陈数C = 1的陈绝缘体既令人好奇又颇具挑战：此前在扭转双层石墨烯ν = 2处仅观测到反常霍尔金属态，其霍尔电阻很小，并且在密度-磁场相图中不遵循Streda公式的演化规律。
成果简介
近日，北京大学卢晓波助理教授团队在菱方八层石墨烯/六方氮化硼（R8G/hBN）莫尔器件中，于莫尔填充ν = 2处观测到陈数C = 1的陈绝缘体，其反常霍尔电阻接近量子化值h/e²。在该拓扑相附近，作者还观测到同一填充处稳健的拓扑平庸关联绝缘体，揭示了不同基态之间的激烈竞争。通过调节电位移场，ν = 2处陈绝缘体的手性可在C = +1与C = −1之间翻转。该ν = 2量子反常霍尔态的居里温度约为3.4 K，热激活能隙约为0.11 meV。自洽Hartree-Fock计算表明，这一偶数填充陈绝缘体可能源于单一谷-自旋味内低能莫尔平带与高能远端能带之间的杂化：两条连续的导带陈数分别为0和1，使得体系在同一味内占据两条导带时总陈数仍为1。该工作拓展了菱方多层石墨烯莫尔体系已知的拓扑相图，为研究ν > 1填充下的强电子关联与多带杂化输运提供了理想平台。相关成果以“Flavor-Polarized Chern Insulator in the Half-Filled Rhombohedral Graphene Moiré Superlattice”为题发表于Physical Review Letters，并入选编辑推荐。
图文导读
图1 R8G/hBN相图与ν = 1处的陈绝缘体。(a) 器件结构示意图，R8G与顶层hBN之间约0.26°的相对扭角及晶格失配形成周期约14.2 nm的莫尔超晶格；(b, c) 面外磁场Bz = 0.1 T下，对称化纵向电阻Rxx与反对称化霍尔电阻Rxy随填充因子ν和电位移场D的变化；(d, e) 在ν = 1.09、D/ε0 = 0.57 V/nm处，Rxx与Rxy随Bz的回滞曲线；(f, g) D/ε0 = 0.57 V/nm处的朗道扇形图；(h) ν = 1.09处反常霍尔幅值随Bz与温度的变化，插图为Rxx的Arrhenius图，拟合得到热激活能隙0.21 meV。
图2 ν = 2附近多个强关联相在不同电位移场下的竞争。(a, b) Bz = 0.1 T下，ν = 2附近Rxx与Rxy相图的局部放大；(c) 由(a)、(b)提取的各关联相示意图，相图中央为平庸关联绝缘体（C = 0），其上方为C = +1陈绝缘体，下方为C = −1陈绝缘体；(d, e) 在D/ε0 = 0.892、0.876、0.850、0.833和0.817 V/nm处，Rxx与Rxy随ν和Bz的变化，白色虚线为按Streda公式从ν = 2出发的C = +1陈绝缘体演化轨迹；(f) 对应各电位移场下Rxx与Rxy随Bz的回滞曲线。
图3 电位移场调控的ν = 2处手性可调陈绝缘体。(a, b) ν = 2.03、T = 10 mK下，Rxx与Rxy随Bz和D的变化；(c) ν = 2.03、D/ε0 = 0.892 V/nm处反常霍尔幅值随Bz与温度的变化，插图为δRxy的Arrhenius图，拟合得到热激活能隙0.11 meV；(d, e) 沿(a)、(b)中粉色虚线同步扫描Bz与D得到的Rxx与Rxy回滞曲线，对应ν = 2、C = +1的量子反常霍尔态；(f, g) 沿青色虚线提取的线切，对应ν = 2、C = −1的陈绝缘体。
图4 ν = 2、C = +1量子反常霍尔态的理论计算。(a) R8G/hBN单粒子模型在K谷的无相互作用能带结构（层间势V = 20 meV，莫尔耦合强度V1 = 8 meV，θ = 0.26°），其中V与电位移场D正相关；(b) 相同参数下的Hartree-Fock能带结构，得到两条连续的导带，其陈数分别为C = 0和C = 1。
总结展望
该工作在实验上实现了莫尔原胞半填充处的量子反常霍尔态，显著拓展了菱方多层石墨烯/hBN异质结构的已知相图，丰富了莫尔超晶格体系的拓扑框架，并凸显菱方多层石墨烯作为探索莫尔诱导拓扑序的高度可调平台的价值。理论计算虽未能完全复现实验相图中稳健的C = 0区域，但作为概念性验证表明：当多条莫尔导带在单一味内被占据时，相互作用可在偶数填充处稳定味极化的C = 1陈绝缘体，这一效应在层数更多、电位移场更高的体系中尤为重要。对其底层机制的更完整理解仍有待建立，后续研究可考察层数更多的菱方多层石墨烯/hBN器件，以进一步阐明涌现关联相与拓扑相的本质。
文献链接
Flavor-Polarized Chern Insulator in the Half-Filled Rhombohedral Graphene Moiré Superlattice
https://doi.org/10.1103/h96k-q32d
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