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電子關(guān)聯(lián)和拓?fù)鋵W(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?fù)鋷ЫY(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)雙層膜中量子反常霍爾效應(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?fù)浣Y(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?fù)鋷?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)和量子反常霍爾效應(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(rèn)為不適合描述扭曲雙層石墨烯的低能物理，因為其帶的拓?fù)湫再|(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?fù)浣Y(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(rèn)為可以誘發(fā)非平凡拓?fù)淠軒В崿F(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?fù)銶ott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?fù)鋷А?/span>

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?fù)湎嘧儭蓚€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?fù)浣Y(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?fù)湎嘧兿扔诮^緣子到金屬的相變。與大多數(shù)已知的拓?fù)湎嘧兿喾矗话橛畜w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?fù)涔餐绊懚a(chǎn)生的涌現(xiàn)現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。

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圖2. ν=1處量子化反常霍爾效應(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?fù)湎嘧儭Ｔ撥S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?fù)湎嘧兿嚓P(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?fù)涞默F(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。

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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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