电子如何实现高效传输？这个问题一直是凝聚态物理领域科学家关注的焦点。想象一辆车行驶在繁忙的高速公路上：通常车辆随机分布，容易造成拥堵；但在特殊条件下，车辆能够自动分配到专用行车道，井然有序、畅通无阻。在物理学世界，对于量子霍尔效应的情形，磁场就如同一位“交通警察”，指挥着电子的运动方向。那么，是否存在一种方式，使电子可以“自动驾驶”而无需外部磁场？量子反常霍尔效应给出了答案：它不需要外部磁场，而是利用材料本身的磁性，引导电子沿着材料边缘无散射地流动，从而实现无耗散输运。

2013年，薛其坤院士团队在磁性掺杂的拓扑绝缘体中首次观测到量子反常霍尔效应这一现象。这是一种宏观尺度的量子效应，即便在零磁场下环境下，仍然可以表现出量子霍尔效应特有的精准霍尔电阻，其数值只由两个物理学基本常数（元电荷和普朗克常数）决定，与材料种类、尺寸等因素无关。更重要的是，量子反常霍尔效应拥有拓扑保护的无耗散边界态，这使其在低功耗电路设计等领域展现出广阔的应用前景。

有趣的是，在量子反常霍尔效应中，电子的传输方向受到拓扑保护，就如同高速公路的行车方向一样难以随意改变。那么，是否可以人为控制电子传输的方向？此外，电子输运是否可以拥有更多高速“车道”，以进一步提升效率？这些问题对于未来拓扑电子器件和拓扑电路的设计至关重要。本项研究发现，在多层石墨烯体系中，通过电场调控诱导拓扑相变，可以实现拓扑陈数（以数学家陈省身先生命名）的符号翻转，从而改变电子传导的方向，并实现了高陈数（“多车道”）的量子反常霍尔效应，为未来拓扑电子学的发展开辟了新的可能性。

量子反常霍尔绝缘体 （Quantum Anomalous Hall Insulator），又称陈绝缘体（Chern insulator）是一类具有非平庸拓扑边界态的量子物态，其手性边缘态能够支持无耗散的电子输运。然而，由于拓扑保护的稳固性，其手性方向（即陈数的符号）通常难以调控。本次研究中，研究人员在菱方多层石墨烯（rhombohedral multilayer graphene）莫尔超晶格（moiré superlattices）中，成功实现了拓扑手性的电场可调控切换。通过构筑多层石墨烯/六方氮化硼（h-BN）莫尔超晶格，利用莫尔势场对电子能带的折叠效应构建平带（flat band），从而增强电子关联效应与拓扑性。

研究人员通过施加空间垂直方向电场，将电子驱动至莫尔势远端，利用较弱的莫尔势构建出拓扑平带。在七层石墨烯中，他们利用电场调控实现了陈数从-1到1再到2的连续相变调控，成功克服了传统拓扑态难以切换手性的难题，为可调控拓扑电子学器件的构建提供了全新思路。进一步地，在菱方十层石墨烯中，研究人员引入单层WSe₂，利用自旋轨道耦合邻近效应，在50 mK极低温环境下，实现了零磁场下量子反常霍尔电阻（≈ h/2e²）的精准量子化。实验结果表明，在十层石墨烯样品中，随着电位移场的增强，陈数从-1切换至2，伴随着边界电流方向的反转。此外，外加磁场下的量子输运实验数据与Streda公式的理论预测高度吻合，验证了拓扑态对应的陈数，进一步揭示了拓扑相变的物理本质。这一研究不仅揭示了多层石墨烯体系中的拓扑相变，也为高陈数的量子反常霍尔效应提供了新平台，拓宽了拓扑电子学的应用前景，为高效拓扑器件的开发提供了可能。