分数阶Chern绝缘子(FCIs)是分数阶量子霍尔态的晶格类似物，它可能为操纵非阿贝尔激发提供了新的途径。早期的理论研究，已经预测了它们在平整Chern带系统中的存在，并强调了特定量子几何的关键作用。然而，FCI态仅在与六方氮化硼(hBN)排列的伯纳尔堆积双层石墨烯(BLG)中观察到，其中Chern带的存在是由一个非常大的磁场造成的，无法在零场实现FCI。相比之下，魔角扭曲BLG在零磁场下支持平整的Chern带，因此，为稳定零磁场FCIs提供了一条很有前景的途径。
在此，来自美国麻省理工学院的Yonglong Xie(一作兼通讯)& Pablo Jarillo-Herrero & Amir Yacoby等研究者，通过高分辨率的局部压缩性测量，对魔术角扭曲BLG在低磁场下的8种FCI态进行了观测。相关论文以题为“Fractional Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene”于2021年12月15日发表在Nature上。
对具有拓扑特性的新型材料系统的研究，为下一代电子技术带来了希望。例如，在理论预测的指导下，带结构工程实现了零磁场下的整数量子化霍尔态，为自旋电子学和拓扑量子计算提供了新的方向。同样，大量的努力已经投向于工程分数量子霍尔(FQH)态的FCIs晶格类似物——部分是因为它们有潜力表现高温拓扑序和在零磁场下承载非阿贝尔激发。
然而，尽管人们已经做了大量的理论工作，FCI态已被证明在实验上非常难以稳定，因为它们不仅需要非色散的Chern带，而且还需要一个特定的量子带几何结构，包括平证的Berry曲率分布。到目前为止，在非常大的(~30 T)磁场下，只在与hBN排列的BLG异质结构的霍夫施塔特带观察到FCI态。该平台的一个主要缺点是其带拓扑从根本上来源于磁场的存在，从而无法在零场极限下实现FCIs。
相比之下，具有本征拓扑带的moiré超晶格，为零磁场下寻找FCIs提供了一个很有前途的途径。特别是，最近在魔角扭曲BLG (MATBG)中发现的相关Chern绝缘子(CHIs)，证实了固有平整Chern带的存在，从而提高了在该系统中实现FCIs的可能性。事实上，最近的分析考虑和数值计算，已经预测了MATBG与hBN对齐的FCI基态。重要的是，这些工作还表明了FCIs和其他相关相位(如电荷密度波)之间的紧密竞争，并强调了Berry曲率分布均匀性和量子度量，在稳定MATBG中的FCIs中的重要性。
在此，研究者报道了在MATBG中部分填充的Chern带的八种FCI态的观测。这些态的第一个出现在5 T，在3 < ν < 4的范围内，该系统可以用一个孤立的Chern带很好地描述。研究者证明了这些FCI态，源于MATBG的内禀带拓扑结构，并被弱磁场稳定，为它们的出现创造了有利的量子几何条件。在这个范围之外观察到的FCIs(其母Chern态可能重新获得其多组分特性)更加复杂，这可能是由于多个自由度之间的相互作用，并证明了MATBG在探索新的涌现拓扑序方面的潜力。
图2. 在低磁场下且2.5 < ν < 4时的密度波
本文报道的MATBG中FCIs的观测，留下了许多理论和实验问题。一个有趣而直接的方向是识别与这些FCI态相关的准粒子电荷，特别是那些在FQH系统中没有类似物的准粒子电荷。FCIs与附近CDWs和SBCIs之间的竞争，可能为研究量子相变提供了一个新环境。重要的是，该工作建立了应用磁场作为Berry曲率分布的新型调谐旋钮，并表明在MATBG的平整带中接近零场的FCIs。因此，一项紧迫的实验任务是开发降低MATBG中w0/w1的方法，并探索MATBG以外受Berry曲率不均匀性影响较小的替代平台，这将使FCIs在零磁场下实现，并为创造下一代拓扑量子器件提供新的机会。
据悉，截止2021年12月15日，Pablo Jarillo-Herrero(即曹原导师)教授一共在Nature & Science上共发表了7篇文章(仅统计Pablo Jarillo-Herrero是通讯作者的文章)，包括5篇Nature(包括今天这篇)和2篇Science，按时间顺序如下：
进一步分析发现，7篇顶刊中，有6篇都是和魔角石墨烯息息相关，可见，魔角石墨烯的热度依然不减。再细细看来，竟然发现这7篇文章中，曹原一人贡献了4篇（1篇Science和3篇Nature），实力之强，毋庸置疑。
Jarillo-Herrero出生于西班牙巴伦西亚，于2008年1月加入麻省理工学院，担任物理学助理教授，并于2018年晋升为正式教授。他的奖项包括Alfred P. Sloan奖学金；David和Lucile Packard奖学金；能源部早期职业奖；总统科学家和工程师早期职业奖；ONR年轻研究者奖；摩尔基金会量子系统研究物理实验奖；以及Oliver E. Buckley凝聚态物理奖。2018年，贾里洛·埃雷罗（Jarillo-Herrero）当选为美国物理学会会员。2020年，巴勃罗·贾里洛·埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）因在旋翼学方面的开创性工作而获得沃尔夫奖。
迄今为止，贾里洛·埃雷罗（Jarillo-Herrero）的个人文章总引用次数已突破36057，H指数高达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
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04002-3
http://jarilloherrero.mit.edu/
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