陳絕緣體是一類拓撲非平庸的物質狀態(tài)，其主要特征是體相絕緣并伴隨手性邊緣態(tài)的存在。零磁場下穩(wěn)定存在的陳絕緣體態(tài)即為量子反?；魻栃?/strong>。但在有些體系當中，往往需要外加一個有限磁場才能使陳絕緣態(tài)穩(wěn)定。探索有限磁場的驅動機制，對于理解關聯(lián)陳絕緣體態(tài)及建立有效的理論框架至關重要。作為研究拓撲平帶效應的重要平臺，魔角石墨烯中存在多個由磁場誘導的關聯(lián)陳絕緣態(tài)。在零磁場下，魔角石墨烯的高溫母體相表現(xiàn)出“級聯(lián)相變”的行為（又稱為“級聯(lián)現(xiàn)象”），即在電子壓縮率或局域譜學測量中呈現(xiàn)出一系列的不對稱的鋸齒狀特征。然而，這些級聯(lián)現(xiàn)象的物理本質仍是有待回答的關鍵問題。

過去幾年中，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室N08課題組的許楊特聘研究員與合作者發(fā)展了一套光學“里德堡激子探測”的方法，即利用二維半導體WSe?的里德堡激子態(tài)對介電屏蔽效應敏感的特性，實現(xiàn)對臨近二維體系中新奇電子態(tài)的有效探測。使用這種方法，他們觀測到了WSe?/WS?中在莫爾超晶格分數化填充時廣泛存在的電荷有序態(tài)[Nature 587,214 (2020)]；以及莫爾勢作用下的里德堡莫爾激子的形成[Science 20,645 (2023)]等。

近期，在接近魔角（~1.1°）的轉角石墨烯樣品中（圖1），通過里德堡激子探測了魔角扭曲雙層石墨烯中的陳絕緣體序列，并揭示了它們與零磁場下電子壓縮性級聯(lián)特征之間的直接聯(lián)系（圖1d）。他們發(fā)現(xiàn)，級聯(lián)轉變行為中的電子壓縮率極小值相對于鄰近整數填充總是存在明顯偏移（Δν），與其他強關聯(lián)莫爾體系中壓縮率極小值一般出現(xiàn)在整數填充存在明顯區(qū)別。而這些位置正好對應于陳絕緣體起點的摻雜濃度，從而能夠得到一個規(guī)律：

其中 為關聯(lián)陳絕緣體態(tài)出現(xiàn)的臨界磁場， 為磁通量子， 為陳數。他們與香港科技大學的戴希研究組合作，通過發(fā)展Gutzwiller方法進行計算，指出該實驗發(fā)現(xiàn)可以通過魔角石墨烯的拓撲重米子模型（圖1b）來解釋。其中，相對整數填充的偏移行為起源于轉角石墨烯中AA堆垛區(qū)域局域軌道的整數填充，帶來了電子態(tài)密度重整化出的極小值。該理論并不需要任何對稱性破缺態(tài)的存在來解釋“級聯(lián)現(xiàn)象”。這一工作為魔角石墨烯中廣受關注的拓撲重費米理論模型提供了實驗證據，加深了對于這一體系的理解和認識。

圖1 魔角石墨烯中零磁場下級聯(lián)現(xiàn)象的光學探測及與關聯(lián)陳絕緣態(tài)之間的聯(lián)系

該工作首次揭示了魔角石墨烯中級聯(lián)轉變與關聯(lián)陳數絕緣體的聯(lián)系，相關研究結果以“Link between cascade phenomenon and correlated Chern insulators in magic-angle twisted bilayer graphene”為題發(fā)表在Nature Communications。胡倩穎和梁澍為共同第一作者，許楊和戴希為共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院、香港特別行政區(qū)研究資助局以及新基石科學基金會等的資助。

編輯：叉叉