原子晶体层状异质结材料中可以拥有弱色散的平带电子，为研究电子间相互作用引发的量子现象（例如量子反常霍尔效应、非常规超导以及磁性等）提供了重要平台。这类材料体系——无论是转角石墨烯或过渡金属硫族化合物，还是与氮化硼对齐的菱方石墨烯——都具有一个共同特点：电子具有自旋和能谷自由度。在强电子相互作用下，系统可通过斯托纳失稳发生自发极化，从而实现自旋和/或能谷的集体取向排列，其中能谷极化即量子反常霍尔效应。

图1 菱方七层石墨烯莫尔超晶格体系中，每个莫尔超胞填充2个电子时观测到陈数为1的量子反常霍尔效应。

近期，材料量子调控技术研究所路建明团队研究了与氮化硼对齐的菱方七层石墨烯（图1a）。陈绝缘体拥有量子化的霍尔电阻和趋近于零的纵向电阻，而图1b-c中ν=2处存在两个拓扑区域，表现出显著的霍尔电阻（图1b）及相应的纵向电阻低谷（图1c）。尤其是第二个区域，位于D ∼ −0.92 V/nm附近，其霍尔电阻和纵向电阻的ν-B相图分别展示于图1e和图1f中。霍尔电阻量子化为h/e²，表明存在C = 1的陈绝缘体。通过扫描磁场B，可以获得磁滞曲线（图1d）。其不对称的矫顽场可能源于样品不均匀性导致的畴壁钉扎效应。随着温度升高，霍尔电阻偏离量子化。同类样品测量结果表明，量子化现象表现得相当健壮，可以承受1.2K以上温度及相当大的偏置电流。

如何理解这一奇特现象？在ν=2时，掺杂电子可占据两个具有不同自旋与能谷自由度的导带。与这两个能带对应的电荷密度可分别峰化于等效蜂窝晶格和三角晶格上——这种双空间构型有助于最小化库仑排斥作用。正是由于电子在远莫尔界面层所感受的弱莫尔势，这种双晶格构型得以实现。鉴于能带拓扑与电荷密度的几何分布紧密关联，这两个能带经计算得知分别携带陈数1与0，从而产生总陈数为1的态。图2a展示了一个代表性的哈特里-福克能带结构，其中能带以自旋（s=↑,↓）和能谷（τ=+,−）指标标记。费米能级以下两个被占据的、经过相互作用重整化的导带，设定为具有相同的自旋极化但相反的能谷极化。τ=+能谷的能带具有陈数1，其电荷密度形成等效蜂窝晶格（图2b）；而τ=−能带的陈数为0，其电荷密度形成三角晶格（图2c）。τ=−能带的三角晶格格点与τ=+能带形成的蜂窝晶格空心位点相互对准，使得两种电荷分布图案形成空间互补，从而有效降低了电子间的库仑排斥。

图2 理论计算发现电子在实空间中形成蜂窝状和三角晶格，分别拥有1和0的陈数，总和为1。

该研究证明了在偶数填充莫尔超晶格时体系依然可以呈现出量子反常霍尔效应，且其陈数为奇数，凸显了调控莫尔势强度和/或关联强度对陈绝缘体的重要作用。这种库仑相互作用与能带结构的量子几何之间的协同效应，有望为调控莫尔体系的拓扑特性提供更多机遇。

该工作的通讯作者为辽宁材料实验室路建明研究员、武汉大学吴冯成教授和中科院微电子所韩春蕊研究员；第一作者为刘倩伶，王知雨，韩香岩，李卓贤和李泊浩。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金，特别是综合极端条件实验装置C1 亚毫开实验站的大力支持，发表于《物理评论快报》Phys. Rev. Lett. 136, 016602 (2026) Editors’ Suggestions.

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gm64-vxdm