Quantized heat flow in moiré chern bands of bilayer graphene

在固体材料的微观世界中，电子并非像流水一样在溪流中漂流；它们是在由其经过的原子所定义的景观中运动。当科学家将材料置于强磁场中时，这些电子会被迫进入紧凑的圆形路径。如果材料还具有重复的图案（例如原子的网格），电子就必须在磁力与原子网格之间进行一场冲突性的导航。这种竞争创造了一个复杂的、分形的允许能级图谱，这种结构如此精细，以至于看起来像一只拥有许多翅膀的蝴蝶。在这一图谱的间隙中，电子可以形成特殊的、受拓扑保护的状态，这意味着它们的行为是由全局规则而非局部细节所决定的。几十年来，科学家们一直能够测量电流如何通过这些状态，并证实了电流是量子化的，或者说被锁定在特定的、不可改变的阶梯上。然而，一个根本性的问题仍悬而未决：热量是否也以同样刚性、普遍的方式通过这些相同的路径进行传递？虽然电学已经被绘制出图谱，但热能通过这些奇异量子态的流动过程仍然是一个谜，这使得我们在理解热量与拓扑结构如何相互作用方面存在认知空白。

一支研究团队现在通过测量一种特定材料中通过这些分形能态的热流，填补了这一空白。他们构建了一个装置，该装置使用两层石墨烯（一种由单层碳原子组成的材料），并将其夹在六方氮化硼层之间。通过仔细对准石墨烯与氮化硼，他们创造了一个被称为莫尔超晶格的大型重复图案，其波长约为十四纳米。当他们在这种设置中施加磁场时，电子便组织成了上述的分形能谱。研究人员随后使用了一种称为约翰逊噪声热计的高灵敏度技术，来测量电子在沿着材料边缘移动时携带了多少热量。这种方法使他们能够在不干扰脆弱量子态的情况下，探测到由移动电子引起的微小温度变化。

结果是显著且清晰的。研究人员发现，热导率（即材料携带热量的能力）是完美量子化的。正如电流被锁定在特定数值一样，热流也被锁定在仅由被称为“陈数”（Chern number，描述电子路径拓扑结构的数值）的数字所决定的阶梯上。这种量子化在状态形成的各种方式下都保持不变。无论电子表现为标准的量子霍尔态，还是由材料结构产生的陈绝缘体，亦或是由电子间强相互作用驱动的对称性破缺态，热流都保持一致。在每种情况下，携带的热量量都与拓扑数直接成正比，且独立于材料的微观细节或创建该状态的具体机制。

至关重要的是，该团队还解决了一个困扰以往实验的潜在复杂因素。在以往对类似材料的研究中，测得的热流往往低于预期，这种现象被归因于热库仑阻塞效应，它阻断了一个热流通道。在这项新工作中，研究人员设计了一个具有极薄绝缘层和大电容的器件，这有效地消除了这种阻塞效应。因此，他们首次在这些莫尔系统中观察到了内在的、未受阻挡的量子化热导率。他们测量了具有不同拓扑数的态，包括数值为二、三和四的态，在每种情况下，热流都与理论预测完全吻合。即使在电子发生强烈相互作用以产生新的、复杂图案的状态中，热传输也保持着普适性和可预测性。

这一发现确立了热导率作为探测量子物质拓扑性质的一种强大且可靠工具的地位。通过展示热量在不同类型的拓扑态中以普遍、量子化的方式流动，这项工作证实了材料的体相性质与边缘行为之间的联系在热量传递中与电学传递同样成立。这些发现表明，科学家现在可以使用热测量来探索更奇异的物质相，例如分数量子陈绝缘体，在这些状态中，拓扑规则可能会导致全新的量子行为。能够以如此高的精度测量这些热特征，为探索拓扑量子材料的基本本质打开了一扇新的窗口，证明了热流与电流一样，都与量子世界的几何结构有着深层的联系。