科研界的“神雕侠侣”，今年第三篇Nature！

电子关联和拓扑学，是现代凝聚态物理学的两条主线。半导体moiré材料为电子关联的研究，提供了一个高度可调的平台。关联-驱动现象，包括Mott绝缘子，广义魏格纳晶体，条纹相和连续Mott转变等，已被广泛证明。然而，非平凡的拓扑带结构，仍然不清楚。

在此，来自美国康奈尔大学的单杰&麦健辉等研究者，报道了AB-型堆叠MoTe₂ /WSe₂ moiré异质双层膜中量子反常霍尔效应的观测。相关论文以题为“Quantum anomalous Hall effect from intertwined moiré bands”于2021年12月22日发表在Nature上。

范德华材料的二维moiré异质结构，为工程电子关联、拓扑结构及其相互作用，提供了一种新的研究范式。在石墨烯材料中，moiré模式可以产生具有谷比陈氏数的拓扑带(时间反演对称在单粒子水平上被保留)。在足够平坦的带下，对称破缺的关联驱动态更受青睐。轨道铁磁效应和量子反常霍尔效应，在发现超导和相关绝缘态之后相继被报道。

然而，晶格模型被认为不适合描述扭曲双层石墨烯的低能物理，因为其带的拓扑性质。相反，在半导体过渡金属二卤族化合物(TMD)杂双层中，moiré带的拓扑结构不明显；单带哈伯德模型很好地描述了低能物理现象，该模型由单层TMDs的反演对称性破缺和Ising自旋各向异性提供的。在扭曲的TMD双分子层中纠缠两个电子态副本被认为可以诱发非平凡拓扑能带，并实现长久以来备受关注的Kane-Mele模型，该模型用于在固态平台中相互作用量子粒子。许多奇异的物质状态，包括拓扑Mott绝缘子，QAH绝缘子和手性自旋液体，已经被预测。然而，到目前为止，在TMDs中还没有实现非平凡拓扑带。

在此，研究者报道了在近60度扭曲(或ab -堆叠)MoTe₂ /WSe₂异质双层膜中，实现了由Mott绝缘子到QAH绝缘子的电场诱导拓扑相变。两个TMDs形成三角形的moiré超晶格，具有三个高对称叠加位点：MM、MX和XX (M = Mo或W；X = Te或Se)(图1a)。两种材料的晶格失配率约为7%，moiré晶格周期约为5 nm，密度约为moiré n_M≈5×10¹² cm⁻²。

科研界的“神雕侠侣”，今年第三篇Nature！

图1. AB-型堆叠的MoTe₂/WSe₂异质双层

研究表明，与AA堆叠的异质双层不同的是，一个离面电场不仅控制带宽，而且通过在不同层中心缠绕moiré能带来控制能带拓扑结构。在半带填充时，对应于每个moiré单胞有一个粒子，研究者观察到量子化的霍尔电阻，h/e² (h和e分别表示普朗克常数和电子电荷)，在磁场为零时，纵向电阻消失。电场诱导的由莫特绝缘子到量子反常霍尔绝缘子的拓扑相变先于绝缘子到金属的相变。与大多数已知的拓扑相变相反，它不伴有体电荷隙闭合。该研究，为发现半导体moiré材料中由于强相关性和拓扑共同影响而产生的涌现现象奠定了基础。

科研界的“神雕侠侣”，今年第三篇Nature！

图2. ν=1处量子化反常霍尔效应

图3. ν=1时的Mott-QAH绝缘体跃迁

图4 ν=2处量子谷自旋霍尔绝缘体的证据

总之，研究者在ν = 1处观察到了AB-堆叠MoTe₂ /WSe₂异质双层膜中，由Mott绝缘体向QAH绝缘体的拓扑相变。该跃迁不表现出任何电荷隙闭合的迹象，可能是一个弱的一级跃迁。它与ν = 2时从moiré带绝缘子到可能的量子谷自旋霍尔绝缘子的连续拓扑相变相关。进一步的研究，需要验证气隙闭合后ν = 2状态的性质，以及观测到的QAH绝缘子的谷极化性质。该结果建立了半导体moiré材料作为一个通用的系统，以探索涉及电子相关和拓扑的现象学。

据悉，这是单杰&麦健辉夫妇，继2021年10月27日之后(这年头发Nature时兴夫妻档：这对夫妻今年第2篇，共计6篇！)，又一篇Nature，而这已经是这对神仙眷侣在今年的第三篇Nature正刊了。

科研界的“神雕侠侣”，非他们莫属。

文献信息

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

原文链接：

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

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科研界的“神雕侠侣”，今年第三篇Nature！

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