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功能介紹
科研無(wú)止境
研究背景
Moire超晶格是由兩個(gè)或多個(gè)二維晶格之間的微小錯位形成的周期性結構。在這些moire超晶格中，電子行為可以受到強烈的影響，產(chǎn)生諸如量子霍爾絕緣體等非常規態(tài)。然而，對于一些材料來(lái)說(shuō)，實(shí)現小扭曲角度下的moire超晶格仍然是一個(gè)挑戰。這對于理解和利用其中的電子相關(guān)性是至關(guān)重要的，因為在小扭曲角度下，電子相關(guān)性通常表現得最為顯著(zhù)。但由于實(shí)驗上的困難，迄今為止對于這些系統中強相關(guān)性的研究主要集中在某些特定的扭曲角度或大層間扭曲下，而無(wú)法進(jìn)行系統的調節和研究。
針對這一挑戰，
斯坦福大學(xué)Benjamin E. Feldman教授及其研究團隊
在“Science”期刊上發(fā)表了題為“Mapping twist-tuned multiband topology in bilayer WSe
2
”的最新研究論文?？茖W(xué)家們通過(guò)制備了約為1.23°的鎢二硒化物雙層的扭曲結構，并利用掃描單電子晶體管顯微鏡進(jìn)行了局部電子壓縮率測量。他們發(fā)現，在這個(gè)特定的扭曲角度附近存在多個(gè)拓撲帶，其中的拓撲性質(zhì)表現為一系列量子反?；魻柦^緣體。通過(guò)施加局部的電場(chǎng)，他們還成功誘導了一個(gè)拓撲量子相變。這項研究解決了在小扭曲角度下實(shí)現和研究moire超晶格的挑戰，為進(jìn)一步探索強相關(guān)性與拓撲性質(zhì)之間的相互作用提供了一個(gè)有力的平臺。
圖文解讀
為了研究扭曲WSe
2 雙層中的多重拓撲帶，研究者制作了圖1。在圖1中，首先展示了在tWSe
2
中形成的moire圖案的示意圖，其中MX和XM堆疊位置形成了一個(gè)蜂窩格子。隨后，通過(guò)圖1B的卡通圖，展示了在前四個(gè)整數填充下的最低能量moire帶及其占據情況，并標記了相應基態(tài)的Chern數。在圖1C中，展示了tWSe
2 的化學(xué)勢μ和逆電子壓縮率隨著(zhù)moire單元格中的空穴數υ的變化情況。進(jìn)一步，在圖1D到G中，展示了在低磁場(chǎng)下每個(gè)第一個(gè)四個(gè)整數moire填充的逆電子壓縮率dμ/dn。具體來(lái)說(shuō)，圖中顯示出在υ
=?1和
υ
=?3處的能隙具有Chern數為+1，而在
υ
=?2和
υ
=?4處的能隙具有Chern數為0。這些數據揭示了在小扭曲角度下tWSe
2
中存在多個(gè)拓撲帶，其Chern數在一定程度上影響著(zhù)材料的電子性質(zhì)。這些結果為理解和利用tWSe
2 中的強相關(guān)性和拓撲性質(zhì)提供了重要線(xiàn)索，為量子模擬和拓撲電子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了新的思路和可能性。
圖1：tWSe
2 中的多個(gè)拓撲帶和基態(tài)。
圖2展示了在扭曲角度約為1.23°的情況下，磁場(chǎng)依賴(lài)性的完整特征。在這個(gè)扭曲角度下，我們觀(guān)察到了兩種不同的Chern絕緣態(tài)，即υ
=?1和
υ
=?3。在相對較低的磁場(chǎng)（約0.6 T）下，這些Chern絕緣態(tài)旁邊出現了頂ologically trivial態(tài)
υ
=0。與Chern絕緣態(tài)相比，這些trivial態(tài)的熱力學(xué)電荷能隙較小，并且在中等磁場(chǎng)下兩種能隙都會(huì )收縮。這種行為與理論預期的頂ological帶靠近第一和第二moire帶之間的拓撲帶反轉的情況一致。此外，在較低磁場(chǎng)下，我們觀(guān)察到了多個(gè)額外的Hofstadter態(tài)，這些態(tài)可以通過(guò)Diophantine方程進(jìn)行描述，從而提供了有關(guān)磁通量和零磁場(chǎng)截距的信息。這些Hofstadter態(tài)在磁場(chǎng)和電子密度的變化下表現出相變特征，反映了不同moire帶之間能量變化的改變。
圖2.
在θ=1.23°時(shí)的磁場(chǎng)依賴(lài)性。
接著(zhù)，圖3探討了扭曲角度對相關(guān)態(tài)的影響。我們通過(guò)在不同扭曲角度下進(jìn)行測量，系統地研究了這些狀態(tài)如何隨著(zhù)moire波長(cháng)的變化而變化。結果顯示，在一個(gè)小范圍的扭曲角度之外，我們沒(méi)有觀(guān)察到任何零場(chǎng)的Chern絕緣體。在某些特定扭曲角度下，我們觀(guān)察到了QAH態(tài)在υ
=?1處是有利的，但在
υ
=?3處卻不是，表明了這兩種狀態(tài)的扭曲角度依賴(lài)性的差異。此外，在較低扭曲角度下，整數能隙變得更強，并且觀(guān)察到的Hofstadter態(tài)更少，這可能反映了系統對于低角度的局部原子重構的敏感性增強。另一方面，較高扭曲角度下，我們觀(guān)察到了更多的Hofstadter態(tài)，但在
υ
≥3處沒(méi)有觀(guān)察到零場(chǎng)的能隙。這些數據使我們能夠量化能隙大小對扭曲角度的依賴(lài)性，并將其與觀(guān)察到的基態(tài)特性相關(guān)聯(lián)。
υ
=?1的拓撲能隙呈非單調依賴(lài)性，這與理論預期的扭曲帶反轉一致，其中我們期望熱力學(xué)能隙會(huì )關(guān)閉。與之相比，在
υ
=?3處的趨勢一般是單調的，且能隙僅在關(guān)閉時(shí)才變成拓撲的。在較高扭曲角度下，相互作用可能不足以在這種填充情況下引起絕緣態(tài)，因此我們觀(guān)察到
υ
=?3處的從絕緣體到QAH絕緣體到金屬的轉變。
圖3. 相關(guān)狀態(tài)的扭曲角度依賴(lài)性。
在圖4中，研究者探究了在υ
=-1處的拓撲相變，并研究了電場(chǎng)調控對其的影響。他們通過(guò)調整直流樣品電壓，使掃描單電子晶體管（SET）探針在一定范圍內作為有效柵極，調節樣品上的局部位移場(chǎng)Deff。研究者觀(guān)察到在一定范圍內，Deff的變化會(huì )導致
υ
=-1的拓撲相變。在實(shí)驗中，他們首先聚焦于一個(gè)扭曲角度為1.20°的位置。在
υ
=0時(shí)，
υ
=-1處的能隙首先減小，然后隨著(zhù)Deff的增加重新出現并加強。在
υ
=1.6 T時(shí)，不同
υ的態(tài)出現在不同的密度下，隨著(zhù)Deff的變化，υ
=-1態(tài)的性質(zhì)發(fā)生改變。通過(guò)在不同的有效位移場(chǎng)下進(jìn)行磁場(chǎng)掃描，研究者驗證了拓撲相變的發(fā)生。通過(guò)在不同位置進(jìn)行類(lèi)似的測量，他們建立了
υ
=-1處的拓撲行為相圖，作為扭曲角度和施加位移場(chǎng)的函數。這些研究結果有助于理解材料中的電場(chǎng)調控與拓撲性質(zhì)之間的關(guān)系，為拓撲材料的調控性能提供了重要信息。
圖4. 電場(chǎng)調控和v=-1處的拓撲相圖。
總結展望
本研究展示了在扭曲的WSe
2 中實(shí)現多個(gè)拓撲非平凡帶的可能性，這些帶在半填充時(shí)支持對稱(chēng)性破缺的量子反?；魻柨p隙。通過(guò)調節moiré波長(cháng)，我們發(fā)現了在扭曲的WSe
2
中廣泛變化的相關(guān)基態(tài)，突顯了moiré波長(cháng)作為調控參數的重要性。這項工作不僅提供了新的實(shí)驗平臺，還鼓勵了進(jìn)一步研究，以確認奇整數能隙的自旋/谷對稱(chēng)性破缺，并進(jìn)行傳輸研究以驗證偶整數處可能的量子自旋霍爾絕緣態(tài)。
此外，這項工作還為研究在更大moire波長(cháng)極限下穩定的相互作用相位，如分數Chern絕緣體，開(kāi)辟了新的途徑。因此，我們的研究不僅推動(dòng)了對拓撲材料的理解，還為實(shí)現拓撲相和相互作用效應的調控提供了新的思路和方法。
Benjamin A. Foutty et al. ,Mapping twist-tuned multiband topology in bilayer WSe
2
.Science384,343-347(2024).DOI:10.1126/science.adi4728
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