分數階Chern絕緣子(FCIs)是分數階量子霍爾態的晶格類似物，它可能為操縱非阿貝爾激發提供了新的途徑。早期的理論研究，已經預測了它們在平整Chern帶系統中的存在，并強調了特定量子幾何的關鍵作用。然而，FCI態僅在與六方氮化硼(hBN)排列的伯納爾堆積雙層石墨烯(BLG)中觀察到，其中Chern帶的存在是由一個非常大的磁場造成的，無法在零場實現FCI。相比之下，魔角扭曲BLG在零磁場下支持平整的Chern帶，因此，為穩定零磁場FCIs提供了一條很有前景的途徑。
在此，來自美國麻省理工學院的Yonglong Xie(一作兼通訊)& ?Pablo Jarillo-Herrero & Amir Yacoby等研究者，通過高分辨率的局部壓縮性測量，對魔術角扭曲BLG在低磁場下的8種FCI態進行了觀測。相關論文以題為“Fractional Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene”于2021年12月15日發表在Nature上。
對具有拓撲特性的新型材料系統的研究，為下一代電子技術帶來了希望。例如，在理論預測的指導下，帶結構工程實現了零磁場下的整數量子化霍爾態，為自旋電子學和拓撲量子計算提供了新的方向。同樣，大量的努力已經投向于工程分數量子霍爾(FQH)態的FCIs晶格類似物——部分是因為它們有潛力表現高溫拓撲序和在零磁場下承載非阿貝爾激發。
然而，盡管人們已經做了大量的理論工作，FCI態已被證明在實驗上非常難以穩定，因為它們不僅需要非色散的Chern帶，而且還需要一個特定的量子帶幾何結構，包括平證的Berry曲率分布。到目前為止，在非常大的(~30 T)磁場下，只在與hBN排列的BLG異質結構的霍夫施塔特帶觀察到FCI態。該平臺的一個主要缺點是其帶拓撲從根本上來源于磁場的存在，從而無法在零場極限下實現FCIs。
相比之下，具有本征拓撲帶的moiré超晶格，為零磁場下尋找FCIs提供了一個很有前途的途徑。特別是，最近在魔角扭曲BLG (MATBG)中發現的相關Chern絕緣子(CHIs)，證實了固有平整Chern帶的存在，從而提高了在該系統中實現FCIs的可能性。事實上，最近的分析考慮和數值計算，已經預測了MATBG與hBN對齊的FCI基態。重要的是，這些工作還表明了FCIs和其他相關相位(如電荷密度波)之間的緊密競爭，并強調了Berry曲率分布均勻性和量子度量，在穩定MATBG中的FCIs中的重要性。
在此，研究者報道了在MATBG中部分填充的Chern帶的八種FCI態的觀測。這些態的第一個出現在5 T，在3 < ν < 4的范圍內，該系統可以用一個孤立的Chern帶很好地描述。研究者證明了這些FCI態，源于MATBG的內稟帶拓撲結構，并被弱磁場穩定，為它們的出現創造了有利的量子幾何條件。在這個范圍之外觀察到的FCIs(其母Chern態可能重新獲得其多組分特性)更加復雜，這可能是由于多個自由度之間的相互作用，并證明了MATBG在探索新的涌現拓撲序方面的潛力。
圖2. 在低磁場下且2.5 < ν < 4時的密度波
本文報道的MATBG中FCIs的觀測，留下了許多理論和實驗問題。一個有趣而直接的方向是識別與這些FCI態相關的準粒子電荷，特別是那些在FQH系統中沒有類似物的準粒子電荷。FCIs與附近CDWs和SBCIs之間的競爭，可能為研究量子相變提供了一個新環境。重要的是，該工作建立了應用磁場作為Berry曲率分布的新型調諧旋鈕，并表明在MATBG的平整帶中接近零場的FCIs。因此，一項緊迫的實驗任務是開發降低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，這將使FCIs在零磁場下實現，并為創造下一代拓撲量子器件提供新的機會。
據悉，截止2021年12月15日，Pablo Jarillo-Herrero(即曹原導師)教授一共在Nature & Science上共發表了7篇文章(僅統計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，按時間順序如下：
進一步分析發現，7篇頂刊中，有6篇都是和魔角石墨烯息息相關，可見，魔角石墨烯的熱度依然不減。再細細看來，竟然發現這7篇文章中，曹原一人貢獻了4篇（1篇Science和3篇Nature），實力之強，毋庸置疑。
Jarillo-Herrero出生于西班牙巴倫西亞，于2008年1月加入麻省理工學院，擔任物理學助理教授，并于2018年晉升為正式教授。他的獎項包括Alfred P. Sloan獎學金；David和Lucile Packard獎學金；能源部早期職業獎；總統科學家和工程師早期職業獎；ONR年輕研究者獎；摩爾基金會量子系統研究物理實驗獎；以及Oliver E. Buckley凝聚態物理獎。2018年，賈里洛·埃雷羅（Jarillo-Herrero）當選為美國物理學會會員。2020年，巴勃羅·賈里洛·埃雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）因在旋翼學方面的開創性工作而獲得沃爾夫獎。
迄今為止，賈里洛·埃雷羅（Jarillo-Herrero）的個人文章總引用次數已突破36057，H指數高達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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