转角菱形石墨烯新突破刊发 Nature Materials，低温无液氦超导磁体系统保障极低温量子输运测试

发布日期：2026-11-11

近日，西湖大学物理系朱伟教授、徐水钢团队与合作者在Nature Materials 上发表了题为 “Layer-engineered quantum anomalous Hall effect in twisted rhombohedral graphene” 的研究工作。研究团队在转角菱形多层石墨烯同质结中成功实现了陈数可编程、电场可调控的高陈数量子反常霍尔（QAH）效应。

图 1 转角（1+N）系统（N=3,4,5）的器件结构、能带计算及h/3e² 、h/4e² 、h/5e² 量子化霍尔电阻磁滞回线。

突破与发现：层数工程驱动的高陈数量子反常霍尔态

量子反常霍尔效应作为拓扑物理的标志性效应，可在无外加磁场的条件下获得量子化霍尔电阻（R_xy=h/Ce²）和无耗散手性边缘态，为低功耗电子学开辟了广阔前景。其中，陈数C不仅表征体拓扑，还决定了手性边缘通道的数量。然而，长期以来实现的量子反常霍尔系统多局限于C=1，探索高陈数且可调控的拓扑物态一直是凝聚态物理领域的重大挑战。

研究团队创新性地利用转角菱形多层石墨烯构建了可编程拓扑平台：

• 由层数决定的高陈数演化：在转角单层-菱形 N 层石墨烯（记为(1+N)系统，其中 (N=3,4,5）中，研究人员系统观测到了陈数C的量子反常霍尔态（对应的霍尔电阻分量分别为 h/3e² 、h/4e² 和h/5e²  ），创新性的在实验上证实了陈数随层数的系统性标度演化。

• 手性电场原位调控：通过双石墨烯栅极独立调控载流子浓度与位移场（D），研究发现在转角单层-三层器件中，量子反常霍尔态的手性（即陈数的符号）可通过载流子浓度或垂直电场实现高效的原位翻转。

• 电场驱动的拓扑相变：在转角双层-四层（2+4）石墨烯系统中，研究团队成功实现了由位移场驱动的、连接两个截然不同非平庸拓扑态（C= 3 与 C= 4）的拓扑相变。

在这项严苛的量子输运实验中，极低的基温与高度稳定的磁场环境是解析复杂多层转角体系拓扑相图的关键。研究团队采用两套低温测试系统开展多器件比对测量：搭载HelioxVT  ³He插杆（最低温度低至0.3K ）的TeslatronPT 低温无液氦超导磁体系统，以及配备磁体及底部快速换样的Triton稀释制冷机，对多款器件进行了高精度的纵向与霍尔电阻（R_xx 和 R_xy ）测量。

设备硬核性能，匹配前沿量子输运实验的严苛需求

搭载HelioxVT  ³He插杆的TeslatronPT 低温无液氦超导磁体系统，为本项研究提供关键硬件保障：

• 低至 0.3 K 稳定基温，保障微弱量子输运信号可靠测量

  HelioxVT ³He 插杆可提供稳定可达 0.3 K 的极低温环境，控温精度优异。高陈数量子反常霍尔效应属于低温量子物态，温度扰动会破坏量子化输运特征；稳定低温保障磁滞回线、量子化平台等关键实验信号可重复、可复现，保证实验数据可信度。

• Nb₃Sn 超导磁体，实现 mT 级精细低场扫描，抑制磁通跳跃干扰

  磁体采用细丝 Nb₃Sn 超导线材，有效抑制低场下磁通跳跃与剩磁干扰。本研究需要在 mT 量级的弱磁场区间采集磁滞回线；普通磁体低场磁通噪声会掩盖高陈数 QAH 微弱信号。该系统可实现 mT 级别精细磁场扫描，最高磁场可达 14 T，支持获取高质量朗道扇形图，支撑研究人员利用 Středa 公式准确提取体系陈数，区分不同拓扑相。

• 无液氦架构，适配长周期、多参数器件筛选实验

  整套系统采用无液氦设计，大幅降低实验室低温运维负担。本研究需要对多批次转角石墨烯器件开展大量变栅压、变磁场、变温度的长周期扫描测试；无液氦运行模式，适合高通量量子器件筛选，支撑复杂二维材料体系大规模相图测绘工作。

TeslatronPT 低温无液氦超导磁体系统

研究意义

转角菱形石墨烯中层数工程化量子反常霍尔效应的实现，不仅标志着拓扑材料研究从“自然发现”迈向“按需设计”的新阶段，也为未来构建多通道拓扑电子学器件、探索分数量子反常霍尔态及非阿贝尔任意子开辟了崭新道路。

参考文献：

[1].Chen, Zhangyuan et al. Layer-engineered quantum anomalous Hall effect in twisted rhombohedral graphene. Nature Materials, 2026.DOI 10.1038/s41563-026-02711-6

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02711-6