分?jǐn)?shù)階Chern絕緣子(FCIs)是分?jǐn)?shù)階量子霍爾態(tài)的晶格類似物，它可能為操縱非阿貝爾激發(fā)提供了新的途徑。早期的理論研究，已經(jīng)預(yù)測(cè)了它們?cè)谄秸鸆hern帶系統(tǒng)中的存在，并強(qiáng)調(diào)了特定量子幾何的關(guān)鍵作用。然而，F(xiàn)CI態(tài)僅在與六方氮化硼(hBN)排列的伯納爾堆積雙層石墨烯(BLG)中觀察到，其中Chern帶的存在是由一個(gè)非常大的磁場(chǎng)造成的，無(wú)法在零場(chǎng)實(shí)現(xiàn)FCI。相比之下，魔角扭曲BLG在零磁場(chǎng)下支持平整的Chern帶，因此，為穩(wěn)定零磁場(chǎng)FCIs提供了一條很有前景的途徑。
在此，來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院的Yonglong Xie(一作兼通訊)& ?Pablo Jarillo-Herrero & Amir Yacoby等研究者，通過(guò)高分辨率的局部壓縮性測(cè)量，對(duì)魔術(shù)角扭曲BLG在低磁場(chǎng)下的8種FCI態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)。相關(guān)論文以題為“Fractional Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene”于2021年12月15日發(fā)表在Nature上。
對(duì)具有拓?fù)涮匦缘男滦筒牧舷到y(tǒng)的研究，為下一代電子技術(shù)帶來(lái)了希望。例如，在理論預(yù)測(cè)的指導(dǎo)下，帶結(jié)構(gòu)工程實(shí)現(xiàn)了零磁場(chǎng)下的整數(shù)量子化霍爾態(tài)，為自旋電子學(xué)和拓?fù)淞孔佑?jì)算提供了新的方向。同樣，大量的努力已經(jīng)投向于工程分?jǐn)?shù)量子霍爾(FQH)態(tài)的FCIs晶格類似物——部分是因?yàn)樗鼈冇袧摿Ρ憩F(xiàn)高溫拓?fù)湫蚝驮诹愦艌?chǎng)下承載非阿貝爾激發(fā)。
然而，盡管人們已經(jīng)做了大量的理論工作，F(xiàn)CI態(tài)已被證明在實(shí)驗(yàn)上非常難以穩(wěn)定，因?yàn)樗鼈儾粌H需要非色散的Chern帶，而且還需要一個(gè)特定的量子帶幾何結(jié)構(gòu)，包括平證的Berry曲率分布。到目前為止，在非常大的(~30 T)磁場(chǎng)下，只在與hBN排列的BLG異質(zhì)結(jié)構(gòu)的霍夫施塔特帶觀察到FCI態(tài)。該平臺(tái)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其帶拓?fù)鋸母旧蟻?lái)源于磁場(chǎng)的存在，從而無(wú)法在零場(chǎng)極限下實(shí)現(xiàn)FCIs。
相比之下，具有本征拓?fù)鋷У膍oiré超晶格，為零磁場(chǎng)下尋找FCIs提供了一個(gè)很有前途的途徑。特別是，最近在魔角扭曲BLG (MATBG)中發(fā)現(xiàn)的相關(guān)Chern絕緣子(CHIs)，證實(shí)了固有平整Chern帶的存在，從而提高了在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)FCIs的可能性。事實(shí)上，最近的分析考慮和數(shù)值計(jì)算，已經(jīng)預(yù)測(cè)了MATBG與hBN對(duì)齊的FCI基態(tài)。重要的是，這些工作還表明了FCIs和其他相關(guān)相位(如電荷密度波)之間的緊密競(jìng)爭(zhēng)，并強(qiáng)調(diào)了Berry曲率分布均勻性和量子度量，在穩(wěn)定MATBG中的FCIs中的重要性。
在此，研究者報(bào)道了在MATBG中部分填充的Chern帶的八種FCI態(tài)的觀測(cè)。這些態(tài)的第一個(gè)出現(xiàn)在5 T，在3 < ν < 4的范圍內(nèi)，該系統(tǒng)可以用一個(gè)孤立的Chern帶很好地描述。研究者證明了這些FCI態(tài)，源于MATBG的內(nèi)稟帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并被弱磁場(chǎng)穩(wěn)定，為它們的出現(xiàn)創(chuàng)造了有利的量子幾何條件。在這個(gè)范圍之外觀察到的FCIs(其母Chern態(tài)可能重新獲得其多組分特性)更加復(fù)雜，這可能是由于多個(gè)自由度之間的相互作用，并證明了MATBG在探索新的涌現(xiàn)拓?fù)湫蚍矫娴臐摿Α?/span>
圖1. 具有分?jǐn)?shù)量子數(shù)的不可壓縮態(tài)MATBG
圖2. 在低磁場(chǎng)下且2.5 < ν < 4時(shí)的密度波
本文報(bào)道的MATBG中FCIs的觀測(cè)，留下了許多理論和實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。一個(gè)有趣而直接的方向是識(shí)別與這些FCI態(tài)相關(guān)的準(zhǔn)粒子電荷，特別是那些在FQH系統(tǒng)中沒有類似物的準(zhǔn)粒子電荷。FCIs與附近CDWs和SBCIs之間的競(jìng)爭(zhēng)，可能為研究量子相變提供了一個(gè)新環(huán)境。重要的是，該工作建立了應(yīng)用磁場(chǎng)作為Berry曲率分布的新型調(diào)諧旋鈕，并表明在MATBG的平整帶中接近零場(chǎng)的FCIs。因此，一項(xiàng)緊迫的實(shí)驗(yàn)任務(wù)是開發(fā)降低MATBG中w0/w1的方法，并探索MATBG以外受Berry曲率不均勻性影響較小的替代平臺(tái)，這將使FCIs在零磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)，并為創(chuàng)造下一代拓?fù)淞孔悠骷峁┬碌臋C(jī)會(huì)。
據(jù)悉，截止2021年12月15日，Pablo Jarillo-Herrero(即曹原導(dǎo)師)教授一共在Nature & Science上共發(fā)表了7篇文章(僅統(tǒng)計(jì)Pablo Jarillo-Herrero是通訊作者的文章)，包括5篇Nature(包括今天這篇)和2篇Science，按時(shí)間順序如下：
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，7篇頂刊中，有6篇都是和魔角石墨烯息息相關(guān)，可見，魔角石墨烯的熱度依然不減。再細(xì)細(xì)看來(lái)，竟然發(fā)現(xiàn)這7篇文章中，曹原一人貢獻(xiàn)了4篇（1篇Science和3篇Nature），實(shí)力之強(qiáng)，毋庸置疑。
Jarillo-Herrero出生于西班牙巴倫西亞，于2008年1月加入麻省理工學(xué)院，擔(dān)任物理學(xué)助理教授，并于2018年晉升為正式教授。他的獎(jiǎng)項(xiàng)包括Alfred P. Sloan獎(jiǎng)學(xué)金；David和Lucile Packard獎(jiǎng)學(xué)金；能源部早期職業(yè)獎(jiǎng)；總統(tǒng)科學(xué)家和工程師早期職業(yè)獎(jiǎng)；ONR年輕研究者獎(jiǎng)；摩爾基金會(huì)量子系統(tǒng)研究物理實(shí)驗(yàn)獎(jiǎng)；以及Oliver E. Buckley凝聚態(tài)物理獎(jiǎng)。2018年，賈里洛·埃雷羅（Jarillo-Herrero）當(dāng)選為美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)員。2020年，巴勃羅·賈里洛·埃雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）因在旋翼學(xué)方面的開創(chuàng)性工作而獲得沃爾夫獎(jiǎng)。
迄今為止，賈里洛·埃雷羅（Jarillo-Herrero）的個(gè)人文章總引用次數(shù)已突破36057，H指數(shù)高達(dá)78。
Xie, Y., Pierce, A.T., Park, J.M.?et al.?Fractional Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene.?Nature?600,?439–443 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04002-3
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04002-3
http://jarilloherrero.mit.edu/
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