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構。在這些moire超晶格中，電子行為可以受到強烈的影響，產生諸如量子霍爾絕緣體等非常規態。然而，對于一些材料來說，實現小扭曲角度下的moire超晶格仍然是一個挑戰。這對于理解和利用其中的電子相關性是至關重要的，因為在小扭曲角度下，電子相關性通常表現得最為顯著。但由于實驗上的困難，迄今為止對于這些系統中強相關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，而無法進行系統的調節和研究。針對這一挑戰，斯坦福大學Benjamin E. Feldman教授及其研究團隊在“Science”期刊上發表了題為“Mapping twist-tuned multiband topology in bilayer WSe2”的最新研究論文。科學家們通過制備了約為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行了局部電子壓縮率測量。他們發現，在這個特定的扭曲角度附近存在多個拓撲帶，其中的拓撲性質表現為一系列量子反常霍爾絕緣體。通過施加局部的電場，他們還成功誘導了一個拓撲量子相變。這項研究解決了在小扭曲角度下實現和研究moire超晶格的挑戰，為進一步探索強相關性與拓撲性質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WSe2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tWSe2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填充下的最低能量moire帶及其占據情況，并標記了相應基態的Chern數。在圖1C中，展示了tWSe2的化學勢μ和逆電子壓縮率隨著moire單元格中的空穴數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tWSe2中存在多個拓撲帶，其Chern數在一定程度上影響著材料的電子性質。這些結果為理解和利用tWSe2中的強相關性和拓撲性質提供了重要線索，為量子模擬和拓撲電子學領域的進一步研究提供了新的思路和可能性。 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，即υ=?1和υ=?3。在相對較低的磁場（約0.6 T）下，這些Chern絕緣態旁邊出現了頂ologically trivial態υ=0。與Chern絕緣態相比，這些trivial態的熱力學電荷能隙較小，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，在較低磁場下，我們觀察到了多個額外的Hofstadter態，這些態可以通過Diophantine方程進行描述，從而提供了有關磁通量和零磁場截距的信息。這些Hofstadter態在磁場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。 接著，圖3探討了扭曲角度對相關態的影響。我們通過在不同扭曲角度下進行測量，系統地研究了這些狀態如何隨著moire波長的變化而變化。結果顯示，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態在υ=?1處是有利的，但在υ=?3處卻不是，表明了這兩種狀態的扭曲角度依賴性的差異。此外，在較低扭曲角度下，整數能隙變得更強，并且觀察到的Hofstadter態更少，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，我們觀察到了更多的Hofstadter態，但在υ≥3處沒有觀察到零場的能隙。這些數據使我們能夠量化能隙大小對扭曲角度的依賴性，并將其與觀察到的基態特性相關聯。υ=?1的拓撲能隙呈非單調依賴性，這與理論預期的扭曲帶反轉一致，其中我們期望熱力學能隙會關閉。與之相比，在υ=?3處的趨勢一般是單調的，且能隙僅在關閉時才變成拓撲的。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，因此我們觀察到υ=?3處的從絕緣體到QAH絕緣體到金屬的轉變。 在圖4中，研究者探究了在υ=-1處的拓撲相變，并研究了電場調控對其的影響。他們通過調整直流樣品電壓，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Deff。研究者觀察到在一定范圍內，Deff的變化會導致υ=-1的拓撲相變。在實驗中，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的增加重新出現并加強。在υ=1.6 T時，不同υ的態出現在不同的密度下，隨著Deff的變化，υ=-1態的性質發生改變。通過在不同的有效位移場下進行磁場掃描，研究者驗證了拓撲相變的發生。通過在不同位置進行類似的測量，他們建立了υ=-1處的拓撲行為相圖，作為扭曲角度和施加位移場的函數。這些研究結果有助于理解材料中的電場調控與拓撲性質之間的關系，為拓撲材料的調控性能提供了重要信息。
總結展望
本研究展示了在扭曲的WSe2中實現多個拓撲非平凡帶的可能性，這些帶在半填充時支持對稱性破缺的量子反常霍爾縫隙。通過調節moiré波長，我們發現了在扭曲的WSe2中廣泛變化的相關基態，突顯了moiré波長作為調控參數的重要性。這項工作不僅提供了新的實驗平臺，還鼓勵了進一步研究，以確認奇整數能隙的自旋/谷對稱性破缺，并進行傳輸研究以驗證偶整數處可能的量子自旋霍爾絕緣態。此外，這項工作還為研究在更大moire波長極限下穩定的相互作用相位，如分數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撲材料的理解，還為實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 WSe2.Science384,343-347(2024).DOI:10.1126/science.adi4728
