近日，上海交通大学物理与天文学院陈国瑞课题组在Physical Review Letters上发表题为“Switchable Chern Insulators and Competing Quantum Phases in Rhombohedral Graphene Moiré Superlattices”的研究论文，并入选Editors' Suggestion。该研究在菱方堆垛六层石墨烯/氮化硼莫尔超晶格体系中，首次系统揭示了可切换的陈绝缘体（Chern Insulator）以及在整数和分数填充数的多种关联与拓扑量子相之间的竞争关系。

石墨烯莫尔超晶格因其独特的平带效应与强库仑相互作用，成为探索强关联电子态与拓扑物态的重要平台。尤其是菱方（ABC）多层石墨烯，因其能带随层数增加而迅速变平，成为孕育新型量子态的天然体系。然而，如何在这一体系中实现对量子相的可控调控，进而理解此体系中的多种相互作用，是领域内的核心问题。

研究团队在精心设计和制备的两种不同转角的菱方六层石墨烯/氮化硼异质结中，观测到一系列具有代表性的关联量子相：

1. 可切换陈绝缘体：在电子填充数 ν = 1 处，发现陈数可在 +1 与 −1 之间可逆切换，揭示了体与边界轨道磁化之间的竞争。

图1. 电子填充数ν = 1处的可切换C=±1的陈绝缘态

2. 多重绝缘相竞争：在 ν = 2 处，依赖于垂直电场与磁场的调控，出现自旋反铁磁绝缘体、自旋极化绝缘体以及谷极化绝缘体三种不同相态，反映出复杂的同位旋对称性破缺机制。

图2. 电子填充数ν = 2处的三种关联绝缘体的竞争

3. 分数填充绝缘态：在分数填充 1/3、2/3 和 1/2 处，团队进一步观测到电荷密度波（CDW）以及条纹相（stripe phase）导致的关联绝缘态，展示出莫尔超晶格下的可调控分数量子相，并且观察到不同分数填充态跟磁通量的普适线性关系。

图3. 分数填充的CDW和stripe phase绝缘态及其对磁通量的统一线性关系

这一系列结果揭示了电荷、自旋、谷自由度与拓扑之间的丰富耦合机制，为理解菱方多层石墨烯莫尔超晶格提供了重要实验依据。该工作表明，菱方多层石墨烯的多种自由度的竞争可通过外场调控，进而实现不同量子态的精准切换，为探索和揭示手性超导、分数陈绝缘体等奠定了基础。

上海交通大学物理与天文学院博士后郑健和博士生吴思泽为论文共同第一作者，陈国瑞为通讯作者，合作者还包括课题组成员刘凯、吕博赛、刘树韩、沙亚婷、李政贤，物理与天文学院史志文教授和贾金锋教授，以及日本国立材料研究所Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi研究员。此研究中的器件加工在物理与天文学院微纳加工平台完成，此工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发项目、上海市科委、国家资助博士后计划和阳阳基金的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/chsq-ndzs