近日，中国科学技术大学物理学院秦维教授与合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心（ICQD）及合肥实验室张振宇教授合作，在拓扑平带人工设计与分数陈绝缘体研究方面取得重要进展。研究团队提出，通过将具有Rashba自旋轨道耦合的二维材料、塞曼耦合与人工超晶格相结合，可以构筑高度可控的孤立拓扑平带，并在其中实现稳定的分数陈绝缘体。相关成果以“Topological Flat Bands and Fractional Chern Insulators in Rashba Systems with Tunable Superlattice Potentials”为题，于9月16日在线发表在国际物理学期刊《物理评论快报》上。物理学院新近毕业的本科生梁博凯（郭沫若奖学金获得者）为论文第一作者，秦维教授为论文通讯作者。

分数陈绝缘体可以看作分数量子霍尔态在晶格体系中的推广，其低能激发具有分数化特征，部分非阿贝尔分数量子态还被认为具有应用于拓扑量子计算的潜力。实现分数陈绝缘体通常要求体系同时具备非平庸的能带拓扑以及平坦、孤立的电子能带。因此，如何寻找和设计“拓扑平带”一直是该领域的重要问题。近年来，分数陈绝缘体相关现象在转角MoTe?、菱方多层石墨烯等体系中得到广泛研究。然而，这些体系通常依赖特定的莫尔结构和相互作用驱动的自发极化，并受到竞争量子态、无序、应变和晶格弛豫等因素影响。

图1：(a)Rashba自旋轨道耦合材料与人工晶格构成的器件示意图；(b)孤立拓扑平带；(c)分数填充下的多体能谱及基态谱流。

针对这一问题，研究团队提出了一种不同的设计思路：不再依赖材料中天然存在的平带，而是利用外部可调手段主动“制造”拓扑平带(图1a,b)。研究发现，塞曼耦合首先在Rashba能带底部形成近乎平坦的部分能带，随后周期性人工晶格通过能带折叠和布拉格散射，将这一平坦区域与其他色散能带分离，最终形成孤立的拓扑平带（图1b）。进一步的多体精确对角化计算表明，该平带在1/3和2/3分数填充时均可形成稳定的分数陈绝缘体（图1c），并在较宽的参数范围以及一定程度的扰动下保持稳定。论文还系统分析了实现该方案的候选材料与器件参数，为实验实现提供了具体参考。

与主要依赖特定莫尔结构的方案相比，该平台具有较强的人工设计和调控能力。同时，该方案可拓展至多种具有较强Rashba自旋轨道耦合的二维材料，并与现有的外延生长和微纳加工技术相结合。该工作为在莫尔材料之外探索拓扑平带、分数陈绝缘体以及更丰富的强关联拓扑量子态提供了新的材料平台和设计思路。

该项研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部科技创新2030等项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/z4g8-2kwj

（物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）