近日，我国科研团队在新型量子材料研究领域取得重要突破。在国家重大科技基础设施——综合极端条件实验装置（SECUF）的强力支持下，由辽宁材料实验室路建明研究员牵头，联合武汉大学、中科院微电子所、中国科学院物理研究所等团队，在菱方石墨烯莫尔超晶格体系中，首次实验观测到在偶数电子填充下出现的、具有奇数陈数的量子反常霍尔态。该研究为解决这一领域长期存在的关键科学问题提供了新视角，相关成果以“Odd-Chern-Number Quantum Anomalous Hall Effect at Even Filling in Moire Rhombohedral Heptalayer Graphene”为题，发表于国际物理学顶级期刊《物理评论快报》，并获选为当期“编辑推荐”论文。

量子反常霍尔效应是一种无需外加磁场的量子化霍尔效应，是凝聚态物理前沿的重要研究方向。其中“陈数”是描述其拓扑性质的关键量子数。以往在石墨烯相关的莫尔平带体系中，实验观测到的量子反常霍尔效应几乎都出现在每个超晶格单元填充奇数个电子（如1个或3个）的情况下。而在填充偶数个电子（如2个）时，通常只能观察到普通绝缘态，这成为困扰学术界的一个谜题。

研究团队将目光投向一种特殊的材料——与氮化硼衬底对齐的菱方七层石墨烯(图1)。在SECUF亚毫开实验站（C1）提供的极低温（可低至1毫开以下）、超低噪声（电压噪声低于10纳伏）的极端实验条件下，他们成功在该体系每个莫尔超胞填充2个电子的情况下，清晰观测到了霍尔电阻精确量子化为h/e²（其中h为普朗克常数，e为元电荷）的量子反常霍尔平台，同时纵向电阻趋近于零，这标志着陈数为1的量子反常霍尔绝缘体的实现（图1）。该状态表现出良好的鲁棒性，能够在一定温度和电流范围内稳定存在。

图1 菱方七层石墨烯莫尔超晶格体系中，每个莫尔超胞填充2个电子时观测到陈数为1的量子反常霍尔效应。

为了理解这一反直觉的现象，理论与实验紧密结合。研究提出，由于该体系中电子所处的特殊莫尔势环境，两个被占据的电子能带可自发排列，使其电荷密度在空间中分别形成互补的“蜂窝状”和“三角”晶格图案（图2）。这种巧妙的“空间分离”有效降低了电子间的库仑排斥，使得系统稳定下来。计算进一步揭示，这两个能带分别携带陈数1和0，从而导致整体呈现出总陈数为1的拓扑量子态。该发现突破了偶数填充难以产生量子反常霍尔效应的传统认知，首次在实验上揭示了通过调控电子关联与能带量子几何的协同作用，可以在偶数填充下“创造”出奇数陈数的拓扑态，为人工设计和调控莫尔超晶格的拓扑物态开辟了新路径。

图2 理论计算发现电子在实空间中形成蜂窝状和三角晶格，分别拥有1和0的陈数，总和为1。

本项研究的成功，综合极端条件实验装置及其亚毫开实验站起到了决定性作用。该实验站提供的极端低温、超低电磁噪声的干净测量环境，是探测此类微弱量子信号的必备条件。SECUF已于2025年初通过国家验收并正式开放运行，其强大的极端条件产生与测量能力，正持续为我国乃至世界科技工作者探索物质科学前沿提供不可或缺的支撑。

北京大学物理学院博士研究生刘倩伶、王知雨、韩香岩和李泊浩为本文共同第一作者。辽宁材料实验室路建明研究员、武汉大学吴冯成教授和中国科学院微电子研究所韩春蕊研究员为共同通讯作者。综合极端条件实验装置的博士研究生周思成和胡利洪，副主任工程师仝冰冰、刘广同研究员和吕力研究员作为合作作者参与了本项工作。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。本工作使用了综合极端条件实验装置的亚毫开实验站。

综合极端条件实验装置简介：

综合极端条件实验装置（SECUF）是国家“十二五”规划建设的重大科技基础设施，致力于为物质科学研究提供极限温度、压力、磁场和超快时间尺度等综合极端实验条件。装置已建成20个国际先进的实验站，全面对外开放，旨在提升我国在物质科学及相关领域的基础研究与原始创新能力。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gm64-vxdm