魔角双层石墨烯中零场陈绝缘体的级联现象及其对称性破缺机制研究

研究人员针对魔角双层石墨烯(MATBG)中电子关联与对称性破缺的相互作用这一关键科学问题，通过hBN衬底对齐结构实现C2z对称性破缺，首次观测到价带平坦能级中(v=-1,-3)的零场陈绝缘体态，并发现电子填充(v=+1,+3)与空穴填充具有相反手性(C=±1)。该研究通过量子输运测量和Hartree-Fock计算，揭示了-7/2填充处的对称性破缺陈绝缘体态，以及v=-3附近违反Streda公式的不可公度陈绝缘体(IChI)现象，为MATBG的完整拓扑框架建立提供了实验基础。

　　

在二维材料研究领域，魔角双层石墨烯(MATBG)因其独特的平带电子结构已成为探索关联电子态和拓扑量子现象的理想平台。当两层石墨烯以特定"魔角"(约1.1°)扭转堆叠时，其电子能带会变得异常平坦，导致电子间相互作用显著增强。这种特殊结构不仅孕育出超导态、关联绝缘体等新奇量子相，更因其与hBN衬底对齐时自发打破C_2z对称性，为研究零磁场下的量子反常霍尔效应提供了可能。然而，此前实验仅观察到导带中的陈绝缘体态，关于价带平坦能级的拓扑性质及其与电子填充态的对应关系仍是未解之谜，这严重制约着对该系统完整拓扑框架的理解。

北京大学国际量子材料研究中心的研究团队通过精确控制石墨烯与hBN的转角对齐，在1.15°扭转角的MATBG器件中实现了C_2z对称性破缺。研究人员采用极低温(10 mK)量子输运测量技术，结合理论计算，首次绘制出电子与空穴填充区域的完整拓扑相图。该研究成果以"Cascade of Zero-field Chern Insulators in Magic-angle Bilayer Graphene"为题发表于《National Science Review》。

关键技术包括：(1)采用激光切割的干法转移技术制备hBN对齐的MATBG异质结；(2)在稀释制冷机中实现10 mK极低温环境下的四端法电阻测量；(3)通过反磁化处理获得对称化R_xx和反对称化R_yx数据；(4)基于Bistritzer-MacDonald连续模型进行Hartree-Fock自洽计算；(5)利用Streda公式分析陈绝缘体态的磁场演化行为。

Complete sequence of Chern insulators
研究团队在hBN对齐的MATBG中观测到所有奇数填充(v=±1,±3)的零场陈绝缘体完整序列。通过反对称化霍尔电阻R_yx测量，发现空穴填充态(v=-1,-3)与电子填充态(v=+1,+3)具有相反陈数(C=±1)，在480 mT磁场下分别达到h/e²的89%和98%量子化。磁滞回线测量显示这些态具有明显轨道磁性和温度依赖性，其中v=±1态的居里温度(T_c≈10 K)显著高于v=±3态(T_c≈2 K)。

Symmetry broken Chern insulator at v=-7/2
在第二个器件(D2)中，研究人员意外发现v=-7/2处存在对称性破缺的陈绝缘体态。Hartree-Fock计算表明该态对应条纹相(stripe phase)和元胞倍增，新形成的子摩尔带携带C=-1的陈数。实验测得该态的量子化霍尔电阻达h/e²的85%，为MATBG中首个被观测到的分数填充陈绝缘体。

Magnetic field stabilized incommensurate Chern insulators near v=-3
最引人注目的发现是v=-3附近违反Streda公式的奇特行为。传统理论预测陈绝缘体在v-B_⊥相图中应遵循dn/dB_⊥=Ce/h的斜率，但实验观察到v=-3态在相图中异常展宽，形成所谓的不可公度陈绝缘体(IChI)态。在5 T磁场下，即使掺杂额外电子，系统仍保持R_yx≈h/e²的量子化平台和零R_xx，表明化学势被钉扎在陈能隙中。理论分析指出，这是由于K'能谷中电子具有超大Wigner-Seitz半径(r_s≈80)，导致其局域化为类Wigner晶体态，而Γ_s点附近的高Berry曲率区域则维持了体系的拓扑性质。

这项研究首次完整揭示了MATBG在C_2z对称性破缺条件下的全局拓扑相图，不仅观察到价带中的零场陈绝缘体态，还发现分数填充和不可公度填充下的新奇拓扑量子态。特别是IChI态的发现，为研究强关联体系中的拓扑序与电荷序竞争提供了新范例。研究提出的"部分能谷极化"机制可推广至其他摩尔超晶格体系，如菱面体多层石墨烯。该成果对理解关联效应与拓扑保护间的相互作用机制具有重要启示，为设计新型拓扑量子器件奠定了理论基础。未来通过扫描探针显微镜等手段进一步解析IChI态的微观结构，将有助于揭示其本质物理机制。