西湖大学团队｜层数即陈数：扭转菱方石墨烯实现高阶量子反常霍尔效应

速览

扭转菱方石墨烯中层工程化的量子反常霍尔效应

如果陈数能像“程序”一样按层数设计，甚至用电压随手切换符号，拓扑物态会变得多灵活？来自西湖大学的研究团队结合连续模型与自洽Hartree-Fock计算、低温输运测量，在扭转单层?菱方N层石墨烯同质结中证明：第一导带的谷陈数恒等于菱方层数N，并在零磁场下实现ρxy=h/(Ne2)、ρxx→0的高阶量子反常霍尔态。借助静电掺杂和位移场，陈数符号可原位反转；在扭转双层?菱方四层器件中，还首次观测到位移场驱动的C=3?C=4拓扑相变。这一“层工程”策略把量子反常霍尔从单一陈数的“发现”推向按需设计的“制造”，为可重构拓扑电子学打开新路径。

解读

层数如何决定陈数？三个器件，三种量子化平台

“第一导带携带与菱方层数N相等的谷陈数”——这是理论预言，如今被实验直接证实。来自西湖大学理学院物理系的研究团队（Zhangyuan Chen、Naitian Liu、Jiannan Hua为共同第一作者）制备了扭转单层?菱方三层、四层、五层石墨烯器件（(1+3)L、(1+4)L、(1+5)L），在填充因子ν=1处分别测到ρxy=h/3e2、h/4e2、h/5e2的零场量子化平台，且ρxx严格消失。Landau扇图斜率与St?eda公式给出的陈数分别为3、4、5，与层数完全对应。自洽Hartree-Fock计算表明，孤立拓扑平带的谷陈数由层数决定，这一规律在较宽的扭转角和位移场范围内稳定成立。相关研究以 Layer-engineered quantum anomalous Hall effect in twisted rhombohedral graphene 发表在 arXiv 预印本上。

手性还能被“电”控制？位移场也能翻转陈数符号

在(1+3)L器件中，ν≈3附近同时存在C=?3与C=+3两个严格量子化的QAH态。仅仅扫描填充因子ν或位移场D，霍尔电阻就在±h/3e2之间跳变，形成矩形回滞。最有趣的是，同一次D扫描的不同区域正负陈数可以共存，说明位移场直接改变了K/K'谷极化态的相对自由能——这不同于以往只能靠掺杂反转磁化的方案，为拓扑器件增加了新的调控旋钮。相关研究以 Layer-engineered quantum anomalous Hall effect in twisted rhombohedral graphene 发表在 arXiv 预印本上。

一个器件里的拓扑相变：C=3如何变成C=4？

在扭转双层?菱方四层石墨烯器件(2+4)L中，固定ν≈1.02，仅调节位移场就观测到两个截然不同的QAH态：在D约?0.66 V/nm附近，ρxy量子化为h/3e2；在D约?0.59 V/nm附近，变为h/4e2。磁滞回线、Landau扇图和温度依赖均确认这是陈数从3到4的拓扑相变，热激活能隙分别约2.1 meV与1.0 meV。Hartree-Fock计算显示，层间势差从11.5 meV调到10.0 meV时第一导带陈数确实从3变为4，与实验定量吻合。这是首次在QAH区间内观测到两个非零陈数之间的电场驱动相变。相关研究以 Layer-engineered quantum anomalous Hall effect in twisted rhombohedral graphene 发表在 arXiv 预印本上。

图文介绍

层依赖的量子反常霍尔效应总览，示意(1+N)L同质结结构以及陈数C=N的物理图像。

图1：扭转单层?菱方N层石墨烯中层依赖的量子反常霍尔效应。

在ν=1处对C=3与C=4 QAH态做精细表征，包括位移场区间、霍尔平台与Landau扇图。

图2：在ν=1处陈数C=3（C=4）的量子反常霍尔效应。

展示ν≈3附近手性切换的输运回滞现象，正负陈数态在零场下均严格量子化。

图3：ν≈3附近量子反常霍尔态手性的电学切换。

图4展示了位移场驱动拓扑相变的输运证据与相图：在(2+4)L器件中固定ν≈1.02，仅调节位移场D即看到C=3（D≈?0.66 V/nm，ρxy=h/3e2）与C=4（D≈?0.59 V/nm，ρxy=h/4e2）两个严格量子化的QAH态之间的拓扑相变。

图4：ν≈1处位移场诱导的拓扑相变。

总结

这项研究用“层数”作为陈数的设计参数，在扭转菱方石墨烯中系统实现了C=3、4、5的零场量子反常霍尔态，并演示了电场对手性和陈数本身的原位调控。从物理上看，谷陈数由菱方层数决定这一结论，把拓扑平带的设计权交到了材料堆叠手中；从应用上看，D驱动的C=3?C=4相变意味着单一器件可以充当可重构的拓扑开关。不过，当前量子化温度仅约3 K、能隙1–2 meV，离实际应用仍有距离；更厚的菱方层对应的更高陈数、以及手性切换的微观机制，都是值得追问的方向。下一个问题也许是：当陈数可以被“层数”和“电场”双重编程，拓扑物态还能带给我们多少惊喜？

信息来源：凝聚态物理研究进展

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日 中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

点击下方链接，了解大会详情：

??官宣 | 关于召开2026中国国际石墨烯创新大会的通知

??重磅征稿｜2026 中国国际石墨烯创新大会论文征集通知

??报名通道已开启 | 2026中国国际石墨烯创新大会火热报名中~

??展商招募 | 2026中国国际石墨烯材料应用博览会

会务组电话：

4001103655

13264226602（微信同号）

13260327636（微信同号）

16601148110（微信同号）

注：添加微信请备注姓名+单位

FOCUS

重点关注

??联盟理事单位招募 | 联合前行，共赢未来~

??石墨烯联盟（CGIA）广告投放服务合作指南

??2026，与CGIA同行：您的每一个需求，我们都将全力以赴！

??【需求对接】需采购铜包石墨烯漆包线

??【需求对接】需采购高导电型导体材料、电磁屏蔽用的柔性材料、高导热型导体/屏蔽材料

??【需求对接】需采购胶辊用石墨烯改性橡塑材料

??【采购需求】耐高温耐磨石墨烯防腐涂料

??【需求对接】聚焦产业技术突破 阀门龙头企业公开四大合作攻关需求

??项目征集｜石墨烯铝基导电、导热产业化项目火热征集中

??《全球石墨烯产业研究报告系列丛书》

??【需求对接】需采购石墨烯粉体

??关于征集石墨烯及新材料在汽车、医药、农业等应用领域的产业化项目的通知

我们的视频号

　　“石墨烯联盟”视频号里面，有备受瞩目的“烯”世奇材，有惊喜连连的大咖开讲，有生动有趣的科普视频，甚至还有不定期的“福利”乱入...欢迎大家扫码关注我们的视频号，将满满的干货收入囊中~

我们的视频号