夫妻携手，再发Nature

相信大家对康奈尔大学的麦健辉（Kin Fai Mak）教授和单杰教授这对神仙夫妻档应该都不陌生了吧。目前，两人同在康奈尔大学从事二维量子材料的主要研究方向。他们已经发表了8篇Nature正刊和近30篇Nature大子刊（Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Physics、Nature Photonics）。接下来，让作者一起来膜拜这对神仙眷侣在Nature上最新的工作。

神仙夫妻档：单杰教授（左）和麦健辉教授（右）

莫尔蹄化钼中分数陈绝缘体的热力学证据

陈绝缘体是量子霍尔态的晶格类似物，有可能在零磁场下表现出高温拓扑秩序，从而实现下一代拓扑量子器件。迄今为止，已有多个系统在零磁场条件下实验证明了整数陈绝缘体，但分数陈绝缘体仅在有限磁场条件下的石墨烯基系统中有所报道。半导体莫尔材料的出现，支持可调拓扑平坦带，为实现分数点阵陈绝缘子开辟了新的机会。

在这里单杰教授和麦健辉教授结合局部电子可压缩性和磁光测量，报告了小角度扭曲双层 MoTe2 在零磁场下的整数和分数陈诺绝缘体的热力学证据。在空穴填充因子 ν= 1 和 2/3 时，系统是不可压缩的，并自发地打破了时间反转对称性。作者从填充因子随外加磁场的分散状态证明，它们分别是整数和分数陈绝缘子。作者进一步证明了涉及这些陈绝缘体的电场调谐拓扑相变。这些发现为在半导体莫尔材料中演示量子化分数霍尔电导、任子激发和编织铺平了道路。相关成果以“Thermodynamic evidence of fractional Chern insulator in moiré MoTe2”为题发表在《Nature》上。

具有破损 TRS69 的相关绝缘体

为了寻找 CI，作者在 tMoTe2 的双栅器件上进行了局部电子可压缩性测量，其中空穴掺杂密度和面外电场或层间电位差可以独立控制。为了测量嵌入的样品，作者采用了最近开发的化学势光学读出方法。图 1a 展示了设备原理图。在样品和顶部栅极之间插入一个高质量 WSe2 单层作为传感器，并与样品电容耦合。样品中的掺杂密度通过偏置电压和器件的几何电容确定，而器件的几何电容则通过传感器中光学检测到的量子振荡进行局部校准。图1b（上图）显示了层间电位差接近于零的 tMoTe2 的化学势 ߤ 的掺杂依赖性。化学势的最大值被设为零。此外，还包括其相对于掺杂密度的数值导数，它与电子不可压缩性（即反向可压缩性）成正比。随着空穴密度的增加，作者观察到 ߤ的负值通常会减小。这是因为平带中电子与电子之间的相互作用很强。

整数和分数陈绝缘子

为了验证这些状态是否为 CI，作者测量了掺杂密度和高达 8 T 的垂直磁场的函数的不可压缩性。图 2a 显示在施加磁场的情况下，两种不可压缩状态都线性地向更大的填充因子分散。θ = 2/3 状态的斜率是 θ = 1 状态斜率的 2/3。相比之下，图 2b 显示了在大层间电位差下的相同测量结果，但未观察到自发 MCD（图 3b）。Υ = 2/3 状态变为可压缩。γ = 1 状态保持不可压缩状态，但不会因磁场而分散。6 T 以上的小偏差可能是由于样品的不均匀性和高磁场下样品光束的漂移。当电荷转移到单个 MoTe2 层时，在大层间电势差下 τ = 1 处的不可压缩状态与拓扑平凡的莫特绝缘体兼容，并且问题变成了三角晶格中的半带填充之一。

拓扑相转变

为了绘制 CI 的相图并研究拓扑相变，作者测量了不可压缩性（图 3a）和 MCD（图 3b）与掺杂密度和垂直电场的函数关系。施加一个小磁场（20 mT）可抑制 MCD 波动。为了与静电相图相关联，作者还测量了 MoTe 2 基本层内激子共振处的样品反射率（图 3c）。强反射率表明 MoTe 2 至少有一层是电荷中性的，因为掺杂会有效淬灭 TMD 中的层内激子共振。作者用虚线分隔出两个不同的区域。在中间区域（淬火反射），各层是杂化的，电荷在两层之间共享。在该区域之外（强反射），所有电荷都位于其中一层。扭曲双层 WSe2 和其他相关 TMD 摩尔异质结构中也有类似的静电相图。在该器件中，由于存在内置电场，层间零电位差 移动到 - 90 mV/nm。作者在不可压缩性和自发 MCD 图上叠加了层杂化区域的边界。

作者更详细地研究电场调谐的拓扑相变。图 4a 和 4b 分别是电场相关电荷间隙和 1 处的自发 MCD。垂直虚线表示相界。当接近边界时，在 1.6 K 测得的化学势跃迁从约 6 mV 下降到约 5 mV 的最小值，并随着有效电场的进一步增加而迅速增大。观察到的间隙最小值表明，临界点处的间隙闭合因有限温度和/或无序而扩大。与此相关，MCD（1.6 K）在相边界之外迅速减小。随着温度的升高，MCD 下降，铁磁相空间不断缩小。作者估计最高临界温度为13k。同样，作者在图 4c 中显示了可以确定 ߥ = 2/3 状态的化学势跃迁。在 FCI 相中，化学势跃迁约为 0.6 mV，在相边界外消失。图 4d 中的自发 MCD 在相边界外也消失了，并随着温度的升高而不断减小。对于v=1的相变，作者观察到两个能量尺度，一个是电子关联产生的电荷局域化，另一个是交换相互作用产生的磁序。当长程磁序发展到 ܶ一定时，CI 出现。这一现象类似于在石墨烯摩尔体系  和 AB 层 MoTe 2 /WSe 2 摩尔双层膜 中观察到的现象，其中电荷局域化的能量尺度通常高于磁性的能量尺度。

小结

本文通过对电子压缩性和 TRS 断裂的局部测量，作者证明了小角度 tMoTe 2 在零磁场下的整数和分数 CI。作者还观察到这两种状态在层间电位差诱导下发生连续拓扑相变的证据。作者的发现留下了许多问题，如 FCI 的性质以及摩尔材料中的 FCI 的可能性，而这些问题在分数量子霍尔系统中并没有类似之处。一项紧迫的实验任务是开发与这些材料的电接触，以进行传输测量和操纵任意子激发，从而实现拓扑量子应用。在本手稿的准备过程中，作者了解到有研究利用光学光谱技术报告了 tMoTe2 中的 FCIs 特征 ，以及利用局部可压缩性测量报告了 tWSe2 中的整数 CIs。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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