Quantum Phase Transitions and Fractional Quantized Anomalous Hall Insulators in Rhombohedral Graphene
本文报告了对菱方五层石墨烯/hBN莫尔超晶格进行的系统电阻测量，揭示了由位移场驱动的各种电子态之间的量子相变，这些电子态以电阻率中的半圆关系为特征，并发现了一种新的分数量子反常霍尔绝缘体相。
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在被困在固体材料内部的电子这一隐藏世界中，存在着一个奇特且有序的领域，在那里，电流在无形的磁力引导下无电阻地流动。几十年来，物理学家一直在研究这些“量子霍尔”态，通常是通过将材料冷却到接近绝对零度并施加强大的磁场来进行研究。在这个冰冻的景观中，电子将自己组织成刚性的图案，创造出极其稳定且精确的物质状态。最近，科学家们发现，只要通过一种特殊的材料将电子诱导成特定的排列方式，即使没有外部磁场，也能出现类似的态。这些被称为分数陈绝缘体（fractional Chern insulators）的新状态，就像是一个由电子组成的秘密社团，它们协同起舞，以微小的、不可分割的块状携带电荷。理解这些状态如何形成、如何变化以及如何与它们的邻居相互作用，对于构建下一代量子计算机至关重要，因为这些计算机依赖于这些奇异行为，以实现当今机器无法实现的计算方式。
一支研究团队现在利用一种独特的材料——菱面体石墨烯（rhombohedral graphene），对这些难以捉摸的状态进行了更深入的研究。这是一种由五层碳原子以特定的扭转模式排列而成的堆叠结构，为电子的运动创造了一个平坦、光滑的景观。通过将这种石墨烯夹在六方氮化硼片之间，科学家们创建了一个微观网格，即超晶格，迫使电子以复杂的方式进行相互作用。他们实验的关键在于一个特殊的控制旋钮：通过向材料上方和下方的栅极施加电压来产生电场。通过调节这个电场，研究人员可以平滑地将电子从一种物质状态调节到另一种状态，实时观察它们的转变过程。他们以极高的精度测量了材料的电阻，将温度冷却到仅比绝对零度高出极微小的程度，以消除可能掩盖微妙量子效应的热噪声。
团队发现的是关于这些不同量子态如何相互连接的清晰图谱。随着他们转动电场旋钮，电子在普通流体、高度有序的绝缘体和神秘的分数态之间发生转变。研究人员发现，这些转变遵循一个简单、可预测的几何规则。当材料从普通流体切换到分数态时，电流通过它的方式会在图表上描绘出一个完美的半圆。这种模式表明，材料并非整体发生切换；相反，它是两种不同区域的混合物，就像池塘中同时存在的冰块与水。随着电场的变化，一个区域在扩大，而另一个区域在缩小，整体电流的流动遵循这种变化的混合路径。这一观察结果为关于量子相变如何发生的长期理论提供了强有力的证据，证实了电子确实在改变其集体行为时分离成了不同的畴区。
或许最令人惊讶的发现是识别出了一种新型绝缘体。当电子从分数态进入完全绝缘态时，它们并没有简单地停止导电。相反，它们进入了一个在阻断一个方向电流的同时，仍能保持另一个方向精确、量子化流动的相位，尽管它是一个绝缘体。研究人员称之为“分数量子反常霍尔绝缘体”（fractional quantized anomalous Hall insulator）。在这种状态下，电子虽然被冻结在原地，却保留了它们分数化的、协调舞蹈的记忆。这一发现意义重大，因为它揭示了量子物质故事的新篇章，表明绝缘体可以比此前认为的更加复杂且有趣。团队还测量了材料对热量的响应，从而能够计算出维持这些状态的能量间隙。他们发现，最稳定的分数态具有约 0.25 毫电子伏特的能量间隙，这是一个微小但可测量的屏障，保护着量子序不被热抖动所破坏。
从一种状态到另一种状态的旅程并非仅仅是平滑的滑动，而是由特定的对称点所标记。在材料从导电液体切换到绝缘体的精确时刻，电流与电压的关系曲线呈现出完美的对称性。这种对称性是量子水平上电与磁之间深层联系的标志，表明电子正在以一种保持基本物理定律不变的方式交换角色。研究人员还注意到，他们材料的质量至关重要；通过改进器件并减少杂质，他们能够比以前更清晰地观察到这些脆弱的状态，观测到了 11 种不同的分数态，而此前仅已知几种。这种清晰度使科学家能够最终测试关于电子如何相互作用的理论，并探索使用这些材料进行未来技术开发的可能性。
该团队的工作不仅仅是编目新的物质状态，它还为理解量子系统如何演化提供了蓝图。通过展示这些转变遵循可预测的几何路径并识别出一种新型绝缘体，研究人员为开展更受控的实验打开了大门。他们已经证明，只需转动电压旋钮，就可以引导电子穿过奇异相的景观，随心所欲地创造和销毁复杂的量子序。这种控制对于未来的量子工程至关重要，因为操纵这些状态的能力可能会导致用于量子计算机的稳定量子比特的诞生。分数量子反常霍尔绝缘体的发现，特别是表明在那些已经触手可及的材料中，仍有许多隐藏的量子行为层级等待被揭开。随着该领域的推进，这些发现将作为探索更复杂相互作用的基础，让我们离一个能够利用量子领域奇异规则来实现实际用途的世界更近一步。
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