魔角石墨烯中级联转变与关联陈数绝缘体的联系 | 进展

陈绝缘体是一类拓扑非平庸的物质状态，其主要特征是体相绝缘并伴随手性边缘态的存在。零磁场下稳定存在的陈绝缘体态即为量子反常霍尔效应。但在有些体系当中，往往需要外加一个有限磁场才能使陈绝缘态稳定。探索有限磁场的驱动机制，对于理解关联陈绝缘体态及建立有效的理论框架至关重要。作为研究拓扑平带效应的重要平台，魔角石墨烯中存在多个由磁场诱导的关联陈绝缘态。在零磁场下，魔角石墨烯的高温母体相表现出“级联相变”的行为（又称为“级联现象”），即在电子压缩率或局域谱学测量中呈现出一系列的不对称的锯齿状特征。然而，这些级联现象的物理本质仍是有待回答的关键问题。

过去几年中，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室N08课题组的许杨特聘研究员与合作者发展了一套光学“里德堡激子探测”的方法，即利用二维半导体WSe₂的里德堡激子态对介电屏蔽效应敏感的特性，实现对临近二维体系中新奇电子态的有效探测。使用这种方法，他们观测到了WSe₂/WS₂中在莫尔超晶格分数化填充时广泛存在的电荷有序态[Nature 587,214 (2020)]；以及莫尔势作用下的里德堡莫尔激子的形成[Science 20,645 (2023)]等。

近期，在接近魔角（~1.1°）的转角石墨烯样品中（图1），通过里德堡激子探测了魔角扭曲双层石墨烯中的陈绝缘体序列，并揭示了它们与零磁场下电子压缩性级联特征之间的直接联系（图1d）。他们发现，级联转变行为中的电子压缩率极小值相对于邻近整数填充总是存在明显偏移（Δν），与其他强关联莫尔体系中压缩率极小值一般出现在整数填充存在明显区别。而这些位置正好对应于陈绝缘体起点的掺杂浓度，从而能够得到一个规律：

其中 为关联陈绝缘体态出现的临界磁场， 为磁通量子， 为陈数。他们与香港科技大学的戴希研究组合作，通过发展Gutzwiller方法进行计算，指出该实验发现可以通过魔角石墨烯的拓扑重米子模型（图1b）来解释。其中，相对整数填充的偏移行为起源于转角石墨烯中AA堆垛区域局域轨道的整数填充，带来了电子态密度重整化出的极小值。该理论并不需要任何对称性破缺态的存在来解释“级联现象”。这一工作为魔角石墨烯中广受关注的拓扑重费米理论模型提供了实验证据，加深了对于这一体系的理解和认识。

图1 魔角石墨烯中零磁场下级联现象的光学探测及与关联陈绝缘态之间的联系

该工作首次揭示了魔角石墨烯中级联转变与关联陈数绝缘体的联系，相关研究结果以“Link between cascade phenomenon and correlated Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene”为题发表在Nature Communications。胡倩颖和梁澍为共同第一作者，许杨和戴希为共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、香港特别行政区研究资助局以及新基石科学基金会等的资助。

编辑：叉叉