分數量子反常霍爾效應（FQAHE）是零磁場下分數量子霍爾效應的拓撲類比，其實現依賴于時間反演對稱性破缺的平坦能帶，并可能催生非阿貝爾任意子——拓撲量子計算的核心載體。此前，FQAHE僅在扭曲MoTe?（v > 1/2）中被觀測到，而基于石墨烯的摩爾超晶格因高遷移率和低缺陷潛力備受關注，但長期未實現FQAHE突破。
本研究首次在菱形五層石墨烯-六方氮化硼（hBN）摩爾超晶格中觀測到零磁場下的整數量子反常霍爾效應（IQAHE）和FQAHE。在摩爾填充因子v=1時，霍爾電阻R_xy呈現量子化平臺±h/e²（對應陳數C=±1）；在0<v<1范圍內，發現六個分數量子化平臺（v=2/3、3/5、4/7、4/9、3/7、2/5），R_xy=h/(νe²)且縱向電阻R_xx顯著下降。v=1/2時R_xy=h/2e²隨v線性變化，類似復合費米液體（CFL）行為。通過調控柵極位移場D和v，實驗揭示了從CFL、FQAH態到谷極化費米液體及相關絕緣體的動態相變。
圖1 | 菱形五層石墨烯-hBN摩爾超晶格的器件結構、拓撲平帶及相圖
a，器件結構示意圖，展示了石墨烯頂層與頂部hBN之間形成的摩爾超晶格，其周期為11.5納米。
b-c，通過對稱化縱向電阻Rxx（b）和反對稱化橫向電阻Rxy（c）在磁場B=±0.1 T下揭示的器件相圖，作為載流子密度ne（v）和柵極位移場D的函數。稀釋制冷機混合腔溫度為10毫開爾文。在D/ε?≈0.93伏特/納米為中心區域的傾斜帶狀區域內，觀察到顯著的反常霍爾信號。在摩爾超晶格填充因子v=1、2/3、3/5和2/5處（由虛線和箭頭標出），Rxx呈現明顯凹陷，同時Rxy顯示出量子化平臺。
d，通過層間電勢差Δ=75毫電子伏特計算的摩爾超晶格能帶結構，顯示出一個平坦的|C|=1摩爾導帶和一個色散的C=0摩爾價帶。
（注：ε?為真空介電常數，C為陳數，描述能帶的拓撲性質。）
圖2 | 整數量子反常霍爾效應（IQAHE）
a,b，在填充因子v=1、位移場D/ε?=0.97伏特/納米及溫度T=0.1–4開爾文條件下，橫向電阻Rxy（a）和縱向電阻Rxx（b）的磁滯回線掃描。實線（虛線）對應磁場B從正值（負值）向負值（正值）掃描。在0.1開爾文時，Rxy量子化于±h/e²，對應陳數C=±1；而Rxx在零磁場（B=0毫特斯拉）下的值低于5歐姆。
c,d，D/ε?=0.97伏特/納米時，Rxy（c）和Rxx（d）的朗道扇圖。整數量子反常霍爾態在兩張圖中均表現為寬平臺，其隨磁場變化的斜率與虛線（基于Streda公式確定的C=±1）高度吻合。當磁場超過約0.6特斯拉時，對應于C=±2和3的整數量子霍爾態開始出現（由附加虛線標出）。
e，在T=10毫開爾文和D/ε?=0.97伏特/納米條件下，對稱化Rxx和反對稱化Rxy（為方便顯示取正值）隨填充因子v的變化曲線。Rxy在約3×10¹?厘米?²的寬平臺內量子化，插圖為局部放大圖，顯示Rxx<5歐姆的平臺區域。
f，固定v=1時，Rxx和Rxy隨位移場D的變化曲線。在D≈0.8–1.03伏特/納米范圍內，器件呈現寬平臺特征；當D向更高或更低值偏離時，系統轉變為Rxx和Rxy較小的金屬態，并在相變過程中出現Rxx峰值。
（注：ε?為真空介電常數，朗道扇圖用于描述量子霍爾態隨磁場和載流子密度的演化，Streda公式關聯陳數與霍爾電導。）
圖3 | 分數量子反常霍爾效應（FQAHEs）
a-b，在磁場B=±0.1 T下，對稱化縱向電阻Rxx（a）和反對稱化橫向電阻Rxy（b）（為方便顯示取正值）隨填充因子v（載流子密度ne）及位移場D變化的局部放大圖。在v=1/2附近（尤其是Rxx圖中），可觀察到圖1d-e中未分辨的精細特征。數據通過恒壓偏置法測量。
c，沿a和b中虛線路徑的Rxx和Rxy（恒流法測量）。在v=2/5、3/7、4/9、4/7、3/5和2/3處（由虛線和箭頭標出），Rxy呈現清晰的量子化平臺：5h/(2e²)、7h/(3e²)、9h/(4e²)、7h/(4e²)、5h/(3e²)和3h/(2e²)，對應Rxx在相同填充因子處顯著凹陷。
d-f, h-j，v=2/5（d）、3/7（e）、4/9（f）、4/7（h）、3/5（i）和2/3（j）時Rxy和Rxx的磁滯回線掃描，顯示Rxy量子化為h/(νe²)，且Rxx顯著降低。
g, k，D/ε?=0.92伏特/納米時的Rxx朗道扇圖。FQAH態表現為傾斜的線狀特征，其斜率與虛線（基于Streda公式計算的陳數C=2/5、3/7、4/9（g）及C=4/7、3/5、2/3（k））高度吻合。
（注：Streda公式將霍爾電導與陳數關聯，分數陳數對應分數量子化霍爾平臺。）
圖4 | 半填充時的反常霍爾效應及相變
a，在磁場B=±0.1 T、位移場D/ε?=0.93伏特/納米條件下，半填充（v=1/2）附近的對稱化縱向電阻Rxx和反對稱化橫向電阻Rxy（為方便顯示取正值）。Rxy在v=1/2處呈現2h/e²的量子化值（對應陳數C=2），并隨填充因子近似線性變化，而Rxx未出現顯著凹陷。此行為與強磁場下二維電子氣（2DEG）中復合費米液體（CFL）的特征相似。
b，v=1/2時Rxy和Rxx的磁滯回線掃描，顯示Rxy穩定于±2h/e²平臺且Rxx極小。
c，固定v=1/2時，Rxy和Rxx隨位移場D的變化曲線。在D=0.9–0.94伏特/納米范圍內，Rxy保持量子化平臺；當D更高時，Rxy和Rxx均趨近于零；當D更低時，Rxx急劇上升，Rxy則圍繞零值劇烈波動。
d，在v=1/2、D/ε?=0.97伏特/納米條件下的Rxy和Rxx磁滯回線掃描，顯示反常霍爾信號及霍爾角θ_H≈9.5°（對應tanθ_H≈Rxy/Rxx≈0.17）。這表明在更高D側，系統從CFL相轉變為谷極化金屬；而在更低D側，CFL與關聯絕緣態之間發生相變。
（注：CFL為復合費米液體，θ_H為霍爾角，ε?為真空介電常數；陳數C=2對應霍爾電導σ_xy=2e²/h。）
該系統的獨特優勢在于：
材料創新性：五層石墨烯-hBN超晶格未經過往理論預測，卻展現出豐富量子態；
零磁場操控：為研究電荷分數化、非阿貝爾編織提供理想平臺；
多參數可調性：通過層數、位移場、扭曲角優化，可探索更高陳數能帶及奇異FQAH態；
超導-FQAHE共存潛力：未來或通過側向結實現非阿貝爾任意子合成。
這一發現不僅拓展了FQAHE的材料體系，更為拓撲量子計算和強關聯電子物理開辟了新路徑。后續研究可聚焦于零磁場電子晶體、新型量子相變及高陳數能帶的實驗驗證，推動石墨烯基量子器件的實用化進程。
轉自《石墨烯研究》公眾號
