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上海交大物理与天文学院李听昕课题组取得突破进展相关成果发表于Nature
北京时间11月4日晚，物理与天文学院李听昕课题组、李政道研究所刘晓雪课题组，联合香港科技大学雷世明课题组、复旦大学张远波课题组等在转角半导体莫尔超晶格量子物态研究中取得突破进展，相关成果发表于《自然》（Nature）。
上海交通大学物理与天文学院李听昕课题组、李政道研究所刘晓雪课题组，联合香港科技大学雷世明课题组、复旦大学张远波课题组等，在转角半导体莫尔超晶格研究中取得重要进展。研究团队系统揭示了转角双层二碲化钼（MoTe2）中多种关联与拓扑量子物态随层间转角变化的演化规律，在同一材料平台中建立了分数拓扑态、对称性破缺态、磁性与超导态之间的联系，为理解半导体莫尔平带中丰富的演生量子物态的形成机理及其相互竞争关系提供了重要实验依据。相关研究成果以“Twist-angle-dependent quantum phase diagrams in moiré bilayer MoTe2”为题发表于《自然》（Nature）。
将两层原子级厚度的二维范德华材料以一定角度堆叠，可以形成周期远大于原子晶格常数的莫尔（moiré）超晶格。通过调节层间转角，研究者能够有效调控莫尔超晶格的电子能带结构及电子关联效应，使其成为探索和研究演生量子物态的理想平台。近年来，莫尔体系中相继涌现出关联绝缘态、超导态和量子反常霍尔态等一系列新奇量子现象。其中，分数量子反常霍尔效应的实验实现是近年来该领域最具代表性的突破之一，这一效应的实现为在零磁场条件下研究分数电荷、任意子激发等新奇量子物态和效应开辟了新的方向。2023年，李听昕、刘晓雪团队作为国际上最早观测到分数量子反常霍尔效应的研究团队之一【Physical Review X 13, 031037（2023）】，在这一领域取得了重要突破。
转角双层二碲化钼和转角双层二硒化钨（WSe2）是目前研究半导体莫尔量子物态的两类代表性材料体系。理论上，两者都可以形成具有非平庸拓扑性质的莫尔平带，但此前实验揭示的物态却存在明显差异：转角二碲化钼中已在较宽的转角范围内（约2°-4°）观测到整数和分数量子反常霍尔效应，而转角二硒化钨中更突出的是关联绝缘态及其附近的超导电性。为什么理论上相似的材料会表现出不同的量子相图？分数拓扑态、磁性和超导态之间能否通过转角调控建立联系？这些问题一直缺少系统的实验回答。
图1 受莫尔空穴填充因子νh和垂直位移电场D调控的转角双层二碲化钼的输运相图，以三个代表性角度为例
研究团队基于高质量二碲化钼单晶，经过多轮器件制备与筛选，最终基于15个高质量转角双层二碲化钼器件开展了系统的低温精密电学输运测量，覆盖3.79°至5.76°的转角范围。通过栅极调控载流子浓度和垂直位移电场，研究团队揭示了该体系不同转角下的量子相图（图1）。研究发现，随着转角增大，体系从以自发能谷极化和分数拓扑态为主要特征的区域，逐步演化为能谷极化受到抑制、支持关联绝缘态和超导态的区域，呈现出清晰的转角调控规律。
在较小转角下，研究团队观察到莫尔空穴填充因子νh = 2/3、3/5和4/7处的分数量子反常霍尔态，其分数序列符合Jain序列；在半填充νh = 1/2附近，输运上表现出符合反常复合费米子液体的特征。随着转角增大，分数量子反常霍尔态和反常复合费米子液体逐渐受到抑制，并逐渐演化为νh = 1/2附近的对称性破缺陈绝缘体（Symmetry-broken Chern insulator）。它们的反常霍尔响应呈整数而非分数量子化，是与分数量子反常霍尔态不同的关联拓扑态。这一结果揭示了半填充陈能带中不同关联拓扑物态之间的竞争及其随转角变化的演化规律，并提示能带量子几何在不同关联基态的选择与稳定性中发挥重要作用。
图2 实验揭示的转角双层二碲化钼体系中关联与拓扑量子物态随转角的演化
在每个莫尔晶胞对应一个空穴填充的νh = 1处，研究团队进一步揭示了整数量子反常霍尔态向拓扑平庸关联绝缘态的演化（图2）。在较小转角下，体系在零位移电场附近形成稳健的整数量子反常霍尔绝缘态；转角增大后，该态需要有限位移电场才能稳定，并伴随铁磁转变温度降低。当转角超过约5°时，整数量子反常霍尔态和自发能谷极化导致的铁磁性受到抑制，但由电子关联效应导致的拓扑平庸绝缘态仍然存在。更为有趣的是，在转角约5.6°以上的器件中，研究团队在νh=1关联绝缘态附近观察到超导电性。实验上观察到最高的超导转变温度约为225毫开尔文，垂直临界磁场约为100毫特斯拉。这一大转角二碲化钼超导态的相图与此前转角双层二硒化钨（约3.5°-5°）中的超导现象具有明显相似性，而与此前团队在小转角二碲化钼中报道的、从自旋与能谷极化正常态发展出的超导不同（arXiv: 2504.06972）。这一对比提示，转角二碲化钼中存在两类具有不同形成机理的超导电性，这为进一步理解莫尔体系的超导配对机制及其与磁性、拓扑和电子关联之间的关系提供了新的实验线索。
该研究以层间转角为关键调控参数，在转角双层二碲化钼莫尔体系中构建了涵盖分数拓扑态、对称性破缺态、磁性和超导态的量子相图，揭示了多种关联与拓扑量子物态随转角变化的演化规律及其相互竞争关系，为深入理解这些新奇量子物态的形成机制与相变过程提供了重要实验依据。研究成果不仅深化了对半导体莫尔体系中电子关联、能带拓扑与超导电性之间内在联系的认识，也为探索演生量子物态的普遍规律及其微观物理机制开辟了新的研究方向。
论文共同第一作者包括上海交通大学物理与天文学院博士研究生孙政、徐凡、李佳熠，香港科技大学博士研究生江一帆，复旦大学高婧婧博士，以及美国田纳西大学的许成博士。共同通讯作者为上海交通大学物理与天文学院李听昕教授、李政道研究所刘晓雪教授、香港科技大学雷世明教授和复旦大学张远波教授，上海交通大学为论文的第一完成单位。上海交通大学研究团队主要承担了器件制备、低温电学输运测量及数据分析等工作；值得一提的是，本研究全部极低温电学输运测量均依托国产稀释制冷机系统完成。香港科技大学和复旦大学合作团队为研究提供了高质量二碲化钼单晶。论文其他合作者还包括上海交通大学贾金锋院士、姜生伟教授、贾童童、成科豪、田王昊，复旦大学张锦阳，美国田纳西大学张阳教授，以及日本国立材料研究所Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi研究员。
本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子科技国家科技重大专项、上海市相关科研项目、上海交通大学2030计划、腾讯新基石基金会，以及中国香港和广东省相关科研计划的资助。