В графене с «магическим углом» обнаружены новые топологические фазы

Взаимодействие электронов играет ключевую роль в энергетическом спектре Хофштадтера мoiré квантовых материалов. Автор: Минхао Хэ.

Исследователи из Вашингтонского университета, Университета штата Флорида и других институтов обнаружили две различные сильно взаимодействующие топологические фазы в материале, известном как графен с «магическим углом» скручивания (MATBG). Их работа опубликована в журнале Nature Physics.

MATBG создается путем наложения двух листов графена друг на друга с малым углом скручивания около 1,1°. При этом «магическом угле» электроны движутся очень медленно, что приводит к возникновению сильно коррелированных электронных состояний.

«Наши выводы были неожиданными, став приятным побочным продуктом другого проекта», — рассказал доктор Сяодон Сюй, старший автор статьи.

Используя сверхчистый образец MATBG, команда провела измерения электрического транспорта при милликельвиновых температурах и в сильных магнитных полях в несколько тесла. Это позволило наблюдать каскады топологических состояний, известных как симметрийно-нарушенные изоляторы Черна (SBCI), а также серию состояний дробного квантового эффекта Холла (FQH), которые появлялись только при приложении сильного магнитного поля.

Диаграмма Ландау для графена с «магическим углом» скручивания, измеренная при милликельвиновых температурах. На фазовой диаграмме видны множественные сильно взаимодействующие состояния Хофштадтера. Автор: Минхао Хэ.

«В отличие от состояний FQH в обычных 2D-системах с электронным газом, которые усиливаются с увеличением магнитного поля, наблюдаемые нами состояния FQH в образце резко исчезают выше магнитного поля ≈10 Тл», — пояснил Сюй.

Результаты исследования подчеркивают уникальный потенциал MATBG для изучения коррелированных квантовых состояний и топологических фаз материи. В будущем команда планирует исследовать связь между дробными изоляторами Черна и дробным квантовым эффектом Холла.

Больше информации: Minhao He et al, Strongly interacting Hofstadter states in magic-angle twisted bilayer graphene, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02997-4.