研究背景
Moire超晶格是由两个或多个二维晶格之间的微小错位形成的周期性结构。在这些moire超晶格中，电子行为可以受到强烈的影响，产生诸如量子霍尔绝缘体等非常规态。然而，对于一些材料来说，实现小扭曲角度下的moire超晶格仍然是一个挑战。这对于理解和利用其中的电子相关性是至关重要的，因为在小扭曲角度下，电子相关性通常表现得最为显著。但由于实验上的困难，迄今为止对于这些系统中强相关性的研究主要集中在某些特定的扭曲角度或大层间扭曲下，而无法进行系统的调节和研究。针对这一挑战，斯坦福大学Benjamin E. Feldman教授及其研究团队在“Science”期刊上发表了题为“Mapping twist-tuned multiband topology in bilayer WSe2”的最新研究论文。科学家们通过制备了约为1.23°的钨二硒化物双层的扭曲结构，并利用扫描单电子晶体管显微镜进行了局部电子压缩率测量。他们发现，在这个特定的扭曲角度附近存在多个拓扑带，其中的拓扑性质表现为一系列量子反常霍尔绝缘体。通过施加局部的电场，他们还成功诱导了一个拓扑量子相变。这项研究解决了在小扭曲角度下实现和研究moire超晶格的挑战，为进一步探索强相关性与拓扑性质之间的相互作用提供了一个有力的平台。
图文解读
为了研究扭曲WSe2双层中的多重拓扑带，研究者制作了图1。在图1中，首先展示了在tWSe2中形成的moire图案的示意图，其中MX和XM堆叠位置形成了一个蜂窝格子。随后，通过图1B的卡通图，展示了在前四个整数填充下的最低能量moire带及其占据情况，并标记了相应基态的Chern数。在图1C中，展示了tWSe2的化学势μ和逆电子压缩率随着moire单元格中的空穴数υ的变化情况。进一步，在图1D到G中，展示了在低磁场下每个第一个四个整数moire填充的逆电子压缩率dμ/dn。具体来说，图中显示出在υ=−1和υ=−3处的能隙具有Chern数为+1，而在υ=−2和υ=−4处的能隙具有Chern数为0。这些数据揭示了在小扭曲角度下tWSe2中存在多个拓扑带，其Chern数在一定程度上影响着材料的电子性质。这些结果为理解和利用tWSe2中的强相关性和拓扑性质提供了重要线索，为量子模拟和拓扑电子学领域的进一步研究提供了新的思路和可能性。 图2展示了在扭曲角度约为1.23°的情况下，磁场依赖性的完整特征。在这个扭曲角度下，我们观察到了两种不同的Chern绝缘态，即υ=−1和υ=−3。在相对较低的磁场（约0.6 T）下，这些Chern绝缘态旁边出现了顶ologically trivial态υ=0。与Chern绝缘态相比，这些trivial态的热力学电荷能隙较小，并且在中等磁场下两种能隙都会收缩。这种行为与理论预期的顶ological带靠近第一和第二moire带之间的拓扑带反转的情况一致。此外，在较低磁场下，我们观察到了多个额外的Hofstadter态，这些态可以通过Diophantine方程进行描述，从而提供了有关磁通量和零磁场截距的信息。这些Hofstadter态在磁场和电子密度的变化下表现出相变特征，反映了不同moire带之间能量变化的改变。 接着，图3探讨了扭曲角度对相关态的影响。我们通过在不同扭曲角度下进行测量，系统地研究了这些状态如何随着moire波长的变化而变化。结果显示，在一个小范围的扭曲角度之外，我们没有观察到任何零场的Chern绝缘体。在某些特定扭曲角度下，我们观察到了QAH态在υ=−1处是有利的，但在υ=−3处却不是，表明了这两种状态的扭曲角度依赖性的差异。此外，在较低扭曲角度下，整数能隙变得更强，并且观察到的Hofstadter态更少，这可能反映了系统对于低角度的局部原子重构的敏感性增强。另一方面，较高扭曲角度下，我们观察到了更多的Hofstadter态，但在υ≥3处没有观察到零场的能隙。这些数据使我们能够量化能隙大小对扭曲角度的依赖性，并将其与观察到的基态特性相关联。υ=−1的拓扑能隙呈非单调依赖性，这与理论预期的扭曲带反转一致，其中我们期望热力学能隙会关闭。与之相比，在υ=−3处的趋势一般是单调的，且能隙仅在关闭时才变成拓扑的。在较高扭曲角度下，相互作用可能不足以在这种填充情况下引起绝缘态，因此我们观察到υ=−3处的从绝缘体到QAH绝缘体到金属的转变。 在图4中，研究者探究了在υ=-1处的拓扑相变，并研究了电场调控对其的影响。他们通过调整直流样品电压，使扫描单电子晶体管（SET）探针在一定范围内作为有效栅极，调节样品上的局部位移场Deff。研究者观察到在一定范围内，Deff的变化会导致υ=-1的拓扑相变。在实验中，他们首先聚焦于一个扭曲角度为1.20°的位置。在υ=0时，υ=-1处的能隙首先减小，然后随着Deff的增加重新出现并加强。在υ=1.6 T时，不同υ的态出现在不同的密度下，随着Deff的变化，υ=-1态的性质发生改变。通过在不同的有效位移场下进行磁场扫描，研究者验证了拓扑相变的发生。通过在不同位置进行类似的测量，他们建立了υ=-1处的拓扑行为相图，作为扭曲角度和施加位移场的函数。这些研究结果有助于理解材料中的电场调控与拓扑性质之间的关系，为拓扑材料的调控性能提供了重要信息。
总结展望
本研究展示了在扭曲的WSe2中实现多个拓扑非平凡带的可能性，这些带在半填充时支持对称性破缺的量子反常霍尔缝隙。通过调节moiré波长，我们发现了在扭曲的WSe2中广泛变化的相关基态，突显了moiré波长作为调控参数的重要性。这项工作不仅提供了新的实验平台，还鼓励了进一步研究，以确认奇整数能隙的自旋/谷对称性破缺，并进行传输研究以验证偶整数处可能的量子自旋霍尔绝缘态。此外，这项工作还为研究在更大moire波长极限下稳定的相互作用相位，如分数Chern绝缘体，开辟了新的途径。因此，我们的研究不仅推动了对拓扑材料的理解，还为实现拓扑相和相互作用效应的调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
