牛津仪器上海低温强磁实验室用户再发Nature！

首次在石墨烯中观测到陈氏绝缘体行为

近日，加州大学伯克利分校陈国瑞博士、王枫教授与复旦大学张远波教授及斯坦福大学David Goldhaber-Gordon教授合作在Nature上发表题为“Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moiré superlattice”的研究论文【1】。

据陈国瑞博士介绍：“我们的发现表明，石墨烯是物理研究的理想平台，从单粒子物理到强关联物理，从超导到现在的拓扑物理在二维材料中的量子效应。令人兴奋的是，我们现在可以在一个只有百万分之一毫米厚的微小器件中探索新的物理现象。

迄今为止，在同一个器件中能通过调控分别出现超导、绝缘和磁性的材料体系非常罕见。大多数人认为石墨烯很难产生磁性，因为碳材料通常不具有磁性，而这项研究成果的亮点之一就是第一次将这三种性质结合在一个器件中。

如今电子产品中使用的磁性材料是由铁磁性金属制成的，如铁或钴合金。然而，组成石墨烯的不是磁性金属元素，而是碳，所以在石墨烯里面产生磁性很难。这次陈国瑞博士等人想出了一个创造性的解决办法：当夹在二维氮化硼之间时，石墨烯（三层石墨烯）就会形成一个称为Moiré超晶格的结构（图一）。这时通过在石墨烯器件的栅极上施加电压，垂直方向的电场会促使器件中的电子沿着同一方向旋转，将石墨烯器件变为了一个铁磁系统。

与此伴随的是另一重要的新特性：石墨烯系统的内部不仅变得有磁性，而且还变得绝缘，同时它的边缘变成了一个零电阻的电流通道。研究人员说，这是一种被称为陈氏绝缘体（Chern insulator）的罕见绝缘体。

量子计算近些年十分热门，其数据便是存储在量子比特中，一个量子位可以表示一个1，一个0，或者它同时是一个1和一个0的状态。陈氏绝缘体的研究一直是拓扑量子计算领域的研究热点，同时也为量子计算中操纵信息提供了潜在的新方法。

更令人惊讶的是，麻省理工学院的合作者Zhang Ya-Hui的计算结果显示，由于三层石墨烯中电子与电子之间的强相互作用，石墨烯器件的导电边缘态不仅仅只有一个，而且有两个，这是人们首次实验观测到“高阶陈氏绝缘体”（图二）。

陈国瑞博士希望可以用他们的石墨烯器件进行更多的实验研究，以便更好地了解陈氏绝缘体/磁性是如何产生的，以及其异常特性背后的机理【2】。

先前的研究在石墨烯中调控出了超导态和Mott绝缘态【3】【4】，其中有一部分三层石墨烯的Mott绝缘态和超导态工作也是陈国瑞博士完成的【5】【6】。

陈国瑞博士是牛津仪器上海低温强磁实验室的用户。他向我们讲述了该研究背后的故事。

2019年春节前，为了研究三层石墨烯Moire超晶格样品的反常量子霍尔效应，需要首先研究其在低温强磁场中的性质。作为牛津仪器资深用户，陈博士首先联系了牛津仪器上海低温强磁实验室，提出希望利用牛津仪器TeslatronPT无液氦超导磁体系统进行初步测量。经过多日连续测试，终于得到了初步实验结果。

如下是采得的数据，在1.5K温度下，2T磁场的时候已经初步看到v=2量子化平台出现（图三），预示着很可能有新的结果，于是陈博士立刻联系了国外的合作者进行了更低温度的测量，最终得到了令人满意的结果。

牛津仪器很高兴能为该研究提供支持。来自伯克利实验室、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、SLAC国家加速器实验室、麻省理工学院、上海交通大学、人工微结构协同创新中心、复旦大学、日本国家材料科学研究所的研究人员参加了这项工作。