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科研無止境
研究背景
Moire超晶格是由兩個或多個二維晶格之間的微小錯位形成的周期性結(jié)構(gòu)。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(guī)態(tài)。然而，對于一些材料來說，實現(xiàn)小扭曲角度下的moire超晶格仍然是一個挑戰(zhàn)。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(xiàn)得最為顯著。但由于實驗上的困難，迄今為止對于這些系統(tǒng)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，而無法進行系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和研究。
針對這一挑戰(zhàn)，
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)家們通過制備了約為1.23°的鎢二硒化物雙層的扭曲結(jié)構(gòu)，并利用掃描單電子晶體管顯微鏡進行了局部電子壓縮率測量。他們發(fā)現(xiàn)，在這個特定的扭曲角度附近存在多個拓?fù)鋷?，其中的拓?fù)湫再|(zhì)表現(xiàn)為一系列量子反常霍爾絕緣體。通過施加局部的電場，他們還成功誘導(dǎo)了一個拓?fù)淞孔酉嘧?。這項研究解決了在小扭曲角度下實現(xiàn)和研究moire超晶格的挑戰(zhàn)，為進一步探索強相關(guān)性與拓?fù)湫再|(zhì)之間的相互作用提供了一個有力的平臺。
圖文解讀
為了研究扭曲WSe
2 雙層中的多重拓?fù)鋷?，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蜂窩格子。隨后，通過圖1B的卡通圖，展示了在前四個整數(shù)填充下的最低能量moire帶及其占據(jù)情況，并標(biāo)記了相應(yīng)基態(tài)的Chern數(shù)。在圖1C中，展示了tWSe
2 的化學(xué)勢μ和逆電子壓縮率隨著moire單元格中的空穴數(shù)υ的變化情況。進一步，在圖1D到G中，展示了在低磁場下每個第一個四個整數(shù)moire填充的逆電子壓縮率dμ/dn。具體來說，圖中顯示出在υ
=?1和
υ
=?3處的能隙具有Chern數(shù)為+1，而在
υ
=?2和
υ
=?4處的能隙具有Chern數(shù)為0。這些數(shù)據(jù)揭示了在小扭曲角度下tWSe
2
中存在多個拓?fù)鋷?，其Chern數(shù)在一定程度上影響著材料的電子性質(zhì)。這些結(jié)果為理解和利用tWSe
2 中的強相關(guān)性和拓?fù)湫再|(zhì)提供了重要線索，為量子模擬和拓?fù)潆娮訉W(xué)領(lǐng)域的進一步研究提供了新的思路和可能性。
圖1：tWSe
2 中的多個拓?fù)鋷Ш突鶓B(tài)。
圖2展示了在扭曲角度約為1.23°的情況下，磁場依賴性的完整特征。在這個扭曲角度下，我們觀察到了兩種不同的Chern絕緣態(tài)，即υ
=?1和
υ
=?3。在相對較低的磁場（約0.6 T）下，這些Chern絕緣態(tài)旁邊出現(xiàn)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，并且在中等磁場下兩種能隙都會收縮。這種行為與理論預(yù)期的頂ological帶靠近第一和第二moire帶之間的拓?fù)鋷Х崔D(zhuǎn)的情況一致。此外，在較低磁場下，我們觀察到了多個額外的Hofstadter態(tài)，這些態(tài)可以通過Diophantine方程進行描述，從而提供了有關(guān)磁通量和零磁場截距的信息。這些Hofstadter態(tài)在磁場和電子密度的變化下表現(xiàn)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°時的磁場依賴性。
接著，圖3探討了扭曲角度對相關(guān)態(tài)的影響。我們通過在不同扭曲角度下進行測量，系統(tǒng)地研究了這些狀態(tài)如何隨著moire波長的變化而變化。結(jié)果顯示，在一個小范圍的扭曲角度之外，我們沒有觀察到任何零場的Chern絕緣體。在某些特定扭曲角度下，我們觀察到了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)的扭曲角度依賴性的差異。此外，在較低扭曲角度下，整數(shù)能隙變得更強，并且觀察到的Hofstadter態(tài)更少，這可能反映了系統(tǒng)對于低角度的局部原子重構(gòu)的敏感性增強。另一方面，較高扭曲角度下，我們觀察到了更多的Hofstadter態(tài)，但在
υ
≥3處沒有觀察到零場的能隙。這些數(shù)據(jù)使我們能夠量化能隙大小對扭曲角度的依賴性，并將其與觀察到的基態(tài)特性相關(guān)聯(lián)。
υ
=?1的拓?fù)淠芟冻史菃握{(diào)依賴性，這與理論預(yù)期的扭曲帶反轉(zhuǎn)一致，其中我們期望熱力學(xué)能隙會關(guān)閉。與之相比，在
υ
=?3處的趨勢一般是單調(diào)的，且能隙僅在關(guān)閉時才變成拓?fù)涞摹Ｔ谳^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)，因此我們觀察到
υ
=?3處的從絕緣體到QAH絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變。
圖3. 相關(guān)狀態(tài)的扭曲角度依賴性。
在圖4中，研究者探究了在υ
=-1處的拓?fù)湎嘧?，并研究了電場調(diào)控對其的影響。他們通過調(diào)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(nèi)作為有效柵極，調(diào)節(jié)樣品上的局部位移場Deff。研究者觀察到在一定范圍內(nèi)，Deff的變化會導(dǎo)致
υ
=-1的拓?fù)湎嘧儭Ｔ趯嶒炛?，他們首先聚焦于一個扭曲角度為1.20°的位置。在
υ
=0時，
υ
=-1處的能隙首先減小，然后隨著Deff的增加重新出現(xiàn)并加強。在
υ
=1.6 T時，不同
υ的態(tài)出現(xiàn)在不同的密度下，隨著Deff的變化，υ
=-1態(tài)的性質(zhì)發(fā)生改變。通過在不同的有效位移場下進行磁場掃描，研究者驗證了拓?fù)湎嘧兊陌l(fā)生。通過在不同位置進行類似的測量，他們建立了
υ
=-1處的拓?fù)湫袨橄鄨D，作為扭曲角度和施加位移場的函數(shù)。這些研究結(jié)果有助于理解材料中的電場調(diào)控與拓?fù)湫再|(zhì)之間的關(guān)系，為拓?fù)洳牧系恼{(diào)控性能提供了重要信息。
圖4. 電場調(diào)控和v=-1處的拓?fù)湎鄨D。
總結(jié)展望
本研究展示了在扭曲的WSe
2 中實現(xiàn)多個拓?fù)浞瞧椒矌У目赡苄?，這些帶在半填充時支持對稱性破缺的量子反?；魻柨p隙。通過調(diào)節(jié)moiré波長，我們發(fā)現(xiàn)了在扭曲的WSe
2
中廣泛變化的相關(guān)基態(tài)，突顯了moiré波長作為調(diào)控參數(shù)的重要性。這項工作不僅提供了新的實驗平臺，還鼓勵了進一步研究，以確認(rèn)奇整數(shù)能隙的自旋/谷對稱性破缺，并進行傳輸研究以驗證偶整數(shù)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波長極限下穩(wěn)定的相互作用相位，如分?jǐn)?shù)Chern絕緣體，開辟了新的途徑。因此，我們的研究不僅推動了對拓?fù)洳牧系睦斫猓€為實現(xiàn)拓?fù)湎嗪拖嗷プ饔眯?yīng)的調(diào)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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