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電子關(guān)聯(lián)和拓撲學(xué)，是現(xiàn)代凝聚態(tài)物理學(xué)的兩條主線。半導(dǎo)體moiré材料為電子關(guān)聯(lián)的研究，提供了一個高度可調(diào)的平臺。關(guān)聯(lián)-驅(qū)動現(xiàn)象，包括Mott絕緣子，廣義魏格納晶體，條紋相和連續(xù)Mott轉(zhuǎn)變等，已被廣泛證明。然而，非平凡的拓撲帶結(jié)構(gòu)，仍然不清楚。

在此，來自美國康奈爾大學(xué)的單杰&麥健輝等研究者，報道了AB-型堆疊MoTe₂ /WSe₂ moiré異質(zhì)雙層膜中量子反?；魻栃?yīng)的觀測。相關(guān)論文以題為“Quantum anomalous Hall effect from intertwined moiré bands”于2021年12月22日發(fā)表在Nature上。

范德華材料的二維moiré異質(zhì)結(jié)構(gòu)，為工程電子關(guān)聯(lián)、拓撲結(jié)構(gòu)及其相互作用，提供了一種新的研究范式。在石墨烯材料中，moiré模式可以產(chǎn)生具有谷比陳氏數(shù)的拓撲帶(時間反演對稱在單粒子水平上被保留)。在足夠平坦的帶下，對稱破缺的關(guān)聯(lián)驅(qū)動態(tài)更受青睞。軌道鐵磁效應(yīng)和量子反?；魻栃?yīng)，在發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)和相關(guān)絕緣態(tài)之后相繼被報道。

然而，晶格模型被認為不適合描述扭曲雙層石墨烯的低能物理，因為其帶的拓撲性質(zhì)。相反，在半導(dǎo)體過渡金屬二鹵族化合物(TMD)雜雙層中，moiré帶的拓撲結(jié)構(gòu)不明顯；單帶哈伯德模型很好地描述了低能物理現(xiàn)象，該模型由單層TMDs的反演對稱性破缺和Ising自旋各向異性提供的。在扭曲的TMD雙分子層中糾纏兩個電子態(tài)副本被認為可以誘發(fā)非平凡拓撲能帶，并實現(xiàn)長久以來備受關(guān)注的Kane-Mele模型，該模型用于在固態(tài)平臺中相互作用量子粒子。許多奇異的物質(zhì)狀態(tài)，包括拓撲Mott絕緣子，QAH絕緣子和手性自旋液體，已經(jīng)被預(yù)測。然而，到目前為止，在TMDs中還沒有實現(xiàn)非平凡拓撲帶。

在此，研究者報道了在近60度扭曲(或ab -堆疊)MoTe₂ /WSe₂異質(zhì)雙層膜中，實現(xiàn)了由Mott絕緣子到QAH絕緣子的電場誘導(dǎo)拓撲相變。兩個TMDs形成三角形的moiré超晶格，具有三個高對稱疊加位點：MM、MX和XX (M = Mo或W；X = Te或Se)(圖1a)。兩種材料的晶格失配率約為7%，moiré晶格周期約為5 nm，密度約為moiré n_M≈5×10¹² cm^?2。

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圖1. AB-型堆疊的MoTe₂/WSe₂異質(zhì)雙層

研究表明，與AA堆疊的異質(zhì)雙層不同的是，一個離面電場不僅控制帶寬，而且通過在不同層中心纏繞moiré能帶來控制能帶拓撲結(jié)構(gòu)。在半帶填充時，對應(yīng)于每個moiré單胞有一個粒子，研究者觀察到量子化的霍爾電阻，h/e² (h和e分別表示普朗克常數(shù)和電子電荷)，在磁場為零時，縱向電阻消失。電場誘導(dǎo)的由莫特絕緣子到量子反常霍爾絕緣子的拓撲相變先于絕緣子到金屬的相變。與大多數(shù)已知的拓撲相變相反，它不伴有體電荷隙閉合。該研究，為發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體moiré材料中由于強相關(guān)性和拓撲共同影響而產(chǎn)生的涌現(xiàn)現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

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圖2. ν=1處量子化反?；魻栃?yīng)

圖3. ν=1時的Mott-QAH絕緣體躍遷

圖4 ν=2處量子谷自旋霍爾絕緣體的證據(jù)

總之，研究者在ν = 1處觀察到了AB-堆疊MoTe₂ /WSe₂異質(zhì)雙層膜中，由Mott絕緣體向QAH絕緣體的拓撲相變。該躍遷不表現(xiàn)出任何電荷隙閉合的跡象，可能是一個弱的一級躍遷。它與ν = 2時從moiré帶絕緣子到可能的量子谷自旋霍爾絕緣子的連續(xù)拓撲相變相關(guān)。進一步的研究，需要驗證氣隙閉合后ν = 2狀態(tài)的性質(zhì)，以及觀測到的QAH絕緣子的谷極化性質(zhì)。該結(jié)果建立了半導(dǎo)體moiré材料作為一個通用的系統(tǒng)，以探索涉及電子相關(guān)和拓撲的現(xiàn)象學(xué)。

據(jù)悉，這是單杰&麥健輝夫婦，繼2021年10月27日之后(這年頭發(fā)Nature時興夫妻檔：這對夫妻今年第2篇，共計6篇！)，又一篇Nature，而這已經(jīng)是這對神仙眷侶在今年的第三篇Nature正刊了。

科研界的“神雕俠侶”，非他們莫屬。

文獻信息

Li, T., Jiang, S., Shen, B.?et al.?Quantum anomalous Hall effect from intertwined moiré bands.?Nature?600,?641–646 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04171-1

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04171-1

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