来源：iNature（ID：Plant_ihuman）
分数陈绝缘体 (FCI) 是分数量子霍尔态的晶格类似物，可以为操纵非阿贝尔激发提供新的途径。早期的理论研究预测了它们存在于具有flat Chern的系统中，并强调了特定量子几何结构的关键作用。然而，仅在与六方氮化硼 (hBN)对齐的 Bernal 堆叠双层石墨烯 (BLG) 中观察到 FCI 状态，其中非常大的磁场是 Chern 带存在的原因。相比之下，魔角扭曲 BLG在零磁场下支持flat Chern带，因此提供了稳定零场 FCI 的有希望的途径。
2021年12月15日，哈佛大学Amir Yacoby，谢泳龙（Xie Yonglong）及麻省理工学院PabloJarillo-Herrero（曹原也是文章的合作者之一）共同通讯在Nature在线发表题为“Fractional Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene”的研究论文，该研究报告了通过高分辨率局部压缩率测量实现的魔角扭曲 BLG ，在低磁场下观察到的八个 FCI 状态。
这些状态中的第一个在 5 T 时出现，它们的出现伴随着附近拓扑微不足道的电荷密度波状态的同时消失。该研究证明，与 BLG/hBN 平台的情况不同，弱磁场的主要作用仅仅是重新分配原生陈带的 Berry 曲率，从而实现有利于 FCI 出现的量子几何。该研究结果强烈表明 FCI 可以在零磁场下实现，并为探索和操纵平坦莫尔陈带中的任意子激发铺平道路。
据了解，谢泳龙博士在魔角石墨烯和超导领域取得了一系列突出成果，研究成果先后发表在Nature（1篇，第一作者）、Science（2篇，均为共同一作）上。
寻找具有拓扑特性的新型材料系统有望为下一代电子产品带来希望。例如，以理论预测为指导的能带结构工程能够在零磁场下实现整数量子化霍尔态，从而为自旋电子学和拓扑量子计算开辟了新的方向。同样，大量的努力已经针对工程 FCI——分数量子霍尔 (FQH) 状态的晶格类似物——部分原因是它们有可能表现出高温拓扑序并在零磁场下承载非阿贝尔激发。
然而，尽管有大量的理论工作，但 FCI 状态已证明在实验上非常难以稳定，因为它们不仅需要非色散陈能带，还需要特定的量子能带几何形状包括平坦的 Berry 曲率分布。迄今为止，仅在非常大 (~30 T) 的磁场中与 hBN 对齐的 BLG 异质结构的 Hofstadter 带中观察到 FCI 状态。该平台的一个主要缺点是其能带拓扑从根本上源于磁场的存在，因此无法在零场限制中实现 FCI。
谢泳龙博士（左）和曹原博士（右）
相比之下，具有原生拓扑带的莫尔超晶格为在零磁场下寻找 FCI 提供了有希望的途径。特别是，最近在魔角扭曲 BLG (MATBG) 中发现相关陈绝缘体 (ChIs) 到零场，证实了固有平坦陈带的存在，从而提高了在该系统中实现 FCI 的可能性。事实上，最近的分析考虑和数值计算预测了 MATBG 中的 FCI 基态与 hBN 对齐。重要的是，这些工作还显示了FCI 与其他相关相位（例如电荷密度波 (CDW)）之间的密切竞争，并强调了 Berry 曲率分布均匀性和量子度量在稳定 MATBG 中 FCI 的重要性。
2.5 < ν < 4 在低磁场下的密度波状态（图源自Nature）
在这里，该研究报告了在 MATBG 中陈氏带的分数填充时观察到的八个 FCI 状态。这些状态中的第一个出现在 5 T 的 3 < ν < 4 范围内，其中该系统由孤立的陈氏带很好地描述。该研究表明这些 FCI 状态是由 MATBG 的本征带拓扑引起的，并且通过弱磁场稳定，为它们的出现创造了有利的量子几何条件。在这个范围之外观察到的 FCI，其中parent Chern状态可能重新获得它们的多分量特征，更复杂，可能是由于多个自由度之间的相互作用，并证明了 MATBG 探索新出现的拓扑序的潜力。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04002-3
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