近日，上海交通大学物理与天文学院陈国瑞课题组在非中心对称混合堆垛五层石墨烯中取得系列进展，首次制备出高质量混合堆垛多层石墨烯器件并针对其电子态进行系统实验研究，揭示了特殊堆垛结构诱导的内禀层极化和可调控的分数量子霍尔效应。相关成果分别以 “Intrinsic Layer Polarization and Multi-flatband Transport in Non-centrosymmetric Mixed-Stacked Multilayer Graphene” 和 “Cascade of Even-Denominator Fractional Quantum Hall States in Mixed-Stacked Multilayer Graphene” 为题发表在 Nano Letters 和 Nature Communications 上。

石墨烯的电子结构对层数和堆垛方式极为敏感。与传统的伯纳尔堆垛和菱方堆垛不同，ABCBC 五层石墨烯由菱方三层和伯纳尔双层结构单元组合而成，其低能能带同时包含三次方色散和平方色散，天然形成多平带体系。同时，该堆垛方式打破中心对称性，为研究非中心对称晶格中的新奇电子态提供了独特平台。

图1. 混合堆垛石墨烯器件非中心对称行为的输运表征

针对混合堆垛石墨烯区域尺寸小、结构不稳定、器件制备困难等问题，研究团队结合扫描近场光学成像、NanoARPES 能带测量和低温量子输运等技术，实现了 ABCBC 五层石墨烯的可靠识别与器件制备。实验发现，该体系在零外加电场下即具有内禀能隙，并在垂直位移场调控下表现出强烈的不对称输运行为，直接反映了非中心对称堆垛诱导的内禀层极化。进一步，通过调节载流子浓度和位移场，实验观测到多重 Lifshitz 转变以及极低磁场下形成的v=-6量子霍尔态，表明混合堆垛石墨烯具有高度可调的多平带电子结构。

图2 混合堆垛石墨烯在极低温强磁场下出现的电场可调的分数量子霍尔态

在此基础上，研究团队进一步在高磁场和毫开尔文温区探索其强关联量子霍尔物态，观测到一系列偶数分母的分数量子霍尔态，包括v=-5/2 、-7/2、-9/2、-11/2和-13/2 。偶分母分数量子霍尔态被认为可能与非阿贝尔任意子及拓扑量子计算相关，但通常较为脆弱且难以调控。本工作表明，ABCBC 五层石墨烯中的多平带结构、朗道能级交叉和电场可调性可以稳定并调控这些强关联拓扑态。实验还发现，体系可在奇分母态、偶分母态、磁性 Bloch 态和复合费米液体之间发生转变，为研究可调控的关联拓扑相变提供了新平台。

这两项工作共同表明，混合堆垛多层石墨烯是传统伯纳尔和菱方堆垛之外的重要石墨烯体系。通过堆垛工程调控晶格对称性与多平带结构，有望为探索关联绝缘态、量子霍尔态以及非阿贝尔拓扑序等前沿问题提供新的实验路径。

本系列研究受到国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委、上海市曙光计划等项目以及怀柔综合极端条件实验装置的支持。Nano Letters 论文中，上海交通大学物理与天文学院博士研究生刘凯、沙亚婷和中科院物理所尹博为共同第一作者，陈国瑞教授为通讯作者；Nature Communications 论文中，上海交通大学物理与天文学院沙亚婷、刘凯和重庆大学蒋晨鑫为共同第一作者，陈国瑞教授、重庆大学胡自翔教授和中国科学院物理研究所刘广同研究员为共同通讯作者。相关合作者还包括上海交通大学、复旦大学、清华大学、重庆大学、中科院物理所、东南大学、日本国立材料科学研究所等单位的研究人员。