來源：iNature（ID:Plant_ihuman）
分數陳絕緣體（FCI）是分數量子霍爾態的晶格類似物，可以為操縱非阿貝爾激發提供新的途徑。早期的理論研究預測了它們存在於具有flat Chern的系統中，並強調了特定量子幾何結構的關鍵作用。然而，僅在與六方氮化硼（hBN）對齊的Bernal堆疊雙層石墨烯（BLG）中觀察到FCI狀態，其中非常大的磁場是Chern帶存在的原因。相比之下，魔角扭曲BLG在零磁場下支持flat Chern帶，囙此提供了穩定零場FCI的有希望的途徑。
2021年12月15日，哈佛大學Amir Yacoby，謝泳龍（Xie Yonglong）及麻省理工學院PabloJarillo-Herrero（曹原也是文章的合作者之一）共同通訊在Nature線上發表題為“Fractional Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene”的研究論文，該研究報告了通過高解析度局部壓縮率量測實現的魔角扭曲BLG，在低磁場下觀察到的八個FCI狀態。
這些狀態中的第一個在5 T時出現，它們的出現伴隨著附近拓撲微不足道的電荷密度波狀態的同時消失。該研究證明，與BLG/hBN平臺的情况不同，弱磁場的主要作用僅僅是重新分配原生陳帶的Berry曲率，從而實現有利於FCI出現的量子幾何。該研究結果强烈表明FCI可以在零磁場下實現，並為探索和操縱平坦莫爾陳帶中的任意子激發鋪平道路。
據瞭解，謝泳龍博士在魔角石墨烯和超導領域取得了一系列突出成果，研究成果先後發表在Nature（1篇，第一作者）、Science（2篇，均為共同一作）上。
尋找具有拓撲特性的新型資料系統有望為下一代電子產品帶來希望。例如，以理論預測為指導的能帶結構工程能够在零磁場下實現整數量子化霍爾態，從而為自旋電子學和拓撲量子計算開闢了新的方向。同樣，大量的努力已經針對工程FCI——分數量子霍爾（FQH）狀態的晶格類似物——部分原因是它們有可能表現出高溫拓撲序並在零磁場下承載非阿貝爾激發。
然而，儘管有大量的理論工作，但FCI狀態已證明在實驗上非常難以穩定，因為它們不僅需要非色散陳能帶，還需要特定的量子能帶幾何形狀包括平坦的Berry曲率分佈。迄今為止，僅在非常大（~30 T）的磁場中與hBN對齊的BLG異質結構的Hofstadter帶中觀察到FCI狀態。該平臺的一個主要缺點是其能帶拓撲從根本上源於磁場的存在，囙此無法在零場限制中實現FCI。
謝泳龍博士（左）和曹原博士（右）
相比之下，具有原生拓撲帶的莫爾超晶格為在零磁場下尋找FCI提供了有希望的途徑。特別是，最近在魔角扭曲BLG（MATBG）中發現相關陳絕緣體（ChIs）到零場，證實了固有平坦陳帶的存在，從而提高了在該系統中實現FCI的可能性。事實上，最近的分析考慮和數值計算預測了MATBG中的FCI基態與hBN對齊。重要的是，這些工作還顯示了FCI與其他相關相位（例如電荷密度波（CDW））之間的密切競爭，並強調了Berry曲率分佈均勻性和量子度量在穩定MATBG中FCI的重要性。
2.5 <ν<4在低磁場下的密度波狀態（圖源自Nature）
在這裡，該研究報告了在MATBG中陳氏帶的分數填充時觀察到的八個FCI狀態。這些狀態中的第一個出現在5 T的3 <ν<4範圍內，其中該系統由孤立的陳氏帶很好地描述。該研究表明這些FCI狀態是由MATBG的本征帶拓撲引起的，並且通過弱磁場穩定，為它們的出現創造了有利的量子幾何條件。在這個範圍之外觀察到的FCI，其中parent Chern狀態可能重新獲得它們的多分量特徵，更複雜，可能是由於多個自由度之間的相互作用，並證明了MATBG探索新出現的拓撲序的潜力。
參考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04002-3
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