北京
量子霍尔同位旋铁磁态，简单说就是在外加强磁场下，电子之间强烈的相互作用使得材料内部原本对称的某个性质（比如自旋方向或能谷指标）发生了“自发破缺”，从而形成的一种特殊量子态。多层石墨烯中自旋、能谷、轨道和层自由度的耦合，使其成为研究平带强关联物理的理想平台。要想真正理解这些复杂量子态是怎么形成的，往往需要同时搞清楚三件事情：局域的导电能力怎么样（局域输运性质）、把电子激发到更高能态需要多少能量（热力学能隙）以及电子在磁场下形成的分立能级结构是什么样的（朗道能级谱）等关键信息。然而，在纳米尺度上同时获取“局域电导率”和“化学势信息”这两类信息，进而将拓扑输运特征、热力学能隙和多体朗道能级谱关联起来分析，长期以来一直是扫描探针显微技术研究中的关键挑战。
图. 电导率-化学势同步观测技术与应用。扫描电导化学势显微镜(SCCM)通过双模共振方法将KPFM与sMIM集成于同一低温强磁场扫描探针平台，同步获得多层石墨烯材料中量子霍尔态的局域化学势和局域电导响应，进而同步得到能态密度和陈拓扑数信息。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧院士团队对多层石墨烯中的量子霍尔同位旋铁磁态开展了系统性的深入研究。该研究团队创新性地研发了一种名为扫描电导化学势显微镜（scanning conductivity and chemical potential microscopy, SCCM）的新技术——简单说，就是将扫描微波阻抗显微术（sMIM）与开尔文探针力显微术（KPFM）两套功能集成到同一个低温强磁场扫描探针平台上。利用这套装置，他们研究了2+2转角石墨烯（即两层石墨烯与另外两层石墨烯以特定角度扭转堆叠而成的体系）中多体朗道能级演化行为，首次在纳米尺度上同时拍下了局域电导率和局域化学势的“图像”。这项研究的主要创新点包括：1.他们首创的SCCM技术融合了微波阻抗与开尔文力两种探测通道，那个同时对量子材料的局域导电性、局域化学势、局域电子态密度等多种信息进行纳米级的并行成像。2.他们实验绘制了2+2转角石墨烯从填充因子+4到-16范围内完整的量子霍尔同位旋铁磁态能谱，并观察到轻质量（b带）和重质量（B带）两组有效子能带之间发生的朗道能级交叉现象。3.他们将朗道能级波函数、能级交叉与量子霍尔态的相图直接联系了起来，从而揭示了“能带交叉如何调控量子霍尔态的轨道波函数发生重排”这一物理图像。
总的来说，这项研究建立了一个功能强大的纳米尺度实验平台。它能够同步探测局域电导率、化学势、热力学态密度和多体朗道能级谱等多种关键物理量，而且不只局限于量子霍尔态——量子霍尔态、关联绝缘态、拓扑边界态、超导态等各种新奇电子态，都可以用这套方法去探测。这为强关联与拓扑量子物态研究提供通用的纳米尺度实验手段。
相关研究成果以“Simultaneous nanoscale imaging of local conductivity and chemical potential in a quantum Hall isospin ferromagnet”为题，于2026年6月25日在线发表于《Nature Communications》。中国科学院物理研究所的户佳玮博士、朱诗雨副研究员，武汉大学博士生李泊浩和物理所王云昊博士为共同第一作者；物理所朱诗雨副研究员、武汉大学吴冯成教授和物理所高鸿钧院士为共同通讯作者。西湖大学徐水钢教授和曼彻斯特大学Andre K. Geim教授提供了高质量石墨烯器件，武汉大学吴冯成教授和博士生李泊浩进行了理论计算与模拟，中国人民大学程志海教授和物理所申承民研究员提供了技术支持。该项目得到了国家自然科学基金、科技部、北京市科委和中国科学院等支持。
编辑：zzz
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