上海交大物理与天文学院陈国瑞副教授团队科研进展：菱方石墨烯中莫尔周期势对平带增强作用的直接观测

分数量子反常霍尔效应是一种在零磁场下涌现的具有分数电荷激发的新奇量子物态。少层菱方石墨烯与氮化硼形成的莫尔超晶格是实现分数量子反常霍尔效应的一个重要体系，其中莫尔周期势对平带的调控是关键物理。近日，上海交通大学物理与天文学院陈国瑞副教授课题组与合作者首次实验直接观测到五层菱方石墨烯/氮化硼莫尔超晶格的拓扑平带及莫尔周期势导致的复制平带，并揭示了莫尔周期势对平带具有显著的增强，为深入理解该体系的核心物理提供了关键信息。相关成果以“Moiré enhanced flat band in rhombohedral graphene”为题发表于Nature Materials上。

菱方石墨烯因其特殊的堆垛形式，具有丰富的物理特性，其中分数量子反常霍尔态通常出现在接近0度对齐、具有大于10 nm莫尔周期的五层菱方石墨烯/氮化硼异质结，暗示莫尔可能扮演着关键角色；然而，分数量子反常霍尔态往往出现在远离莫尔周期势的一侧，使得莫尔周期势所起的作用成为一个亟需理解的关键科学问题。陈国瑞教授课题组在国际上最早便围绕菱方石墨烯这一体系开展样品制备和电输运的研究，并首次开发了一套制备菱方石墨烯高质量样品的实验方法，被领域内广泛应用。

图1 (a) 菱方五层石墨烯/氮化硼莫尔超晶格器件的光学照片。(b) 扫描近场红外显微镜下的菱方石墨烯样品扫描图。(c) 菱方石墨烯/氮化硼的莫尔超晶格高精度原子力显微镜扫描图。（d）NanoARPES及五层菱方石墨烯/氮化硼示意图。

针对以上问题，在此项工作中，课题组与清华大学周树云团队进行了联合实验研究，利用角分辨光电子能谱研究了五层菱方石墨烯/氮化硼异质结的拓扑平带电子结构及莫尔周期势的影响。课题组针对角分辨光电子能谱的测量特点，发展了一套表面开放式的高质量样品制备方法，并制备出对应的有/无莫尔的菱方五层石墨烯/氮化硼器件（图1a-c）。研究团队利用具有百纳米级空间分辨率的角分辨光电子能谱(NanoARPES，图1d)，直接探测到五层菱方石墨烯/氮化硼异质结的拓扑平带电子结构， 并精确提取了决定其电子结构的关键电子跃迁参数。实验结果显示，在具有莫尔周期势的样品中，平带信号强度显著增强，即使在远离莫尔周期势的石墨烯中，也能观测到清晰的莫尔复制能带(图2b)。这个发现表明，莫尔周期势在远离界面处仍具有显著作用。为深入理解其物理机制，北京大学宋志达教授课题组开展了理论计算模拟。模拟结果显示，尽管莫尔周期势在空间上主要作用于界面附近，但菱方石墨烯的层间电子-电子相互作用能够有效将这一电荷调制效应 “传递”至远离莫尔周期势的区域，从而显著调制该处的拓扑平带电子结构。这一机制为解释分数量子反常霍尔效应为何能在远离莫尔周期势一侧稳定存在提供了重要的依据。研究不仅揭示了莫尔势在实空间中的非局域影响，也阐明了电子关联在传递拓扑效应中的重要作用，为理解菱方石墨烯中涌现的新奇量子现象提供了关键的谱学证据与理论支撑。

图2 (a)无莫尔周期五层菱方石墨烯的电子结构实验结果。(b)有莫尔周期五层菱方石墨烯的电子结构实验结果。红色箭头指向显著增强的平带，蓝色箭头指向复制的莫尔能带。(c) 切过平带附近的能量分布曲线，对比显示出有莫尔周期的菱方石墨烯中平带被显著增强（红色箭头）。

清华大学物理系周树云教授、上海交通大学物理与天文学院陈国瑞副教授、北京大学物理学院宋志达助理教授为该论文的通讯作者；清华大学“水木学者”张红云、清华大学物理系博士生路锦熙、上海交通大学物理与天文学院博士生刘凯、北京大学物理学院博士生王一杰为该论文的共同第一作者。合作团队还包括清华大学物理系段文晖院士、于浦教授，日本东北大学Takafumi Sato教授，以及法国国家同步辐射实验室和英国“钻石”光源等。该研究工作得到科技部重点研发计划专项、国家自然科学基金和上海市科委的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02416-2

作者： 叶丹 供稿单位： 物理与天文学院