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来源：材料科学前沿收集编辑：高分子科学前沿
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7篇Nature正刊和近30篇Nature大子刊（Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Physics、Nature Photonics）。接下来，让我们一起来膜拜这对神仙眷侣在Nature上的杰出工作。
2019.10.2: 二维原子双层中高温激子凝聚的证据激子凝聚是一种宏观量子现象，已经引起了巨大的理论和实验兴趣。激子的凝聚相是通过光泵浦或通过耦合半导体量子阱和石墨烯中的磁场下的量子霍尔态产生的。然而，这些系统中较弱的激子结合将冷凝温度限制在约1K。虽然已经报道了八面体二硒化钛中存在高温激子缩合物，但基于三维半金属的系统对未来设备的可配置性和适用性有限。二维（2D）过渡金属硫化物（TMD）半导体激子结合能和范德华异质结构成型的灵活性为探索高温激子冷凝和基于冷凝物的应用提供了一个令人兴奋的平台。TMD双层中的最大缩合温度已被预测为激子结合能的一小部分——也就是说，与室温相当。具有极强激子结合的二维范德华半导体是研究高温激子冷凝的理想系统。在这篇文章中，麦健辉教授和单杰教授观察到MoSe2–WSe2中生成的层间激子每平方厘米密度高达1012。层间隧穿电流仅取决于激子密度，这表明相关的电子-空穴对隧穿。当空穴从WSe2隧穿到MoSe2中与电子重新结合时，会产生强烈的电致发光。作者观察到电致发光强度对激子密度的临界阈值依赖性，伴随着阈值附近的超泊松光子统计，以及在相同的电子和空穴密度下具有窄峰的电致发光增强。这种现象持续在100开尔文以上。这与预测的临界冷凝温度一致.我们的研究为二维原子双层中的层间激子凝聚提供了证据，并为探索基于凝聚物的光电子学和激子介导的高温超导性提供了机会。2020.3.18: WSe2/WS2莫尔超晶格中哈伯德模型物理学的模拟研究哈伯德模型是由物理学家约翰-哈伯德在20世纪60年代制定的，是一个晶格中相互作用的量子粒子的简单理论模型。该模型捕获了高温超导体、磁绝缘体和其他复杂的量子多体基态的基本物理学原理。尽管哈伯德模型为大多数真实材料提供了一个极大的简化表示，但除了在一维的情况下，它还是很难准确解决。因此，哈伯德模型在二维或三维的物理实现，可以作为一个模拟量子模拟器，在解决强相关之谜方面具有重要作用，即揭示大量强相互作用的量子粒子的物理学。在这里，麦健辉教授和单杰教授通过研究角度对齐的Se2/WS2双层，获得了二维三角格Hubbard模型的相图，形成了莫尔超晶格。作者通过测量该系统的光学响应对平面外磁场和门控载流子密度的依赖性来探测该系统的电荷和磁特性。在第一个空穴莫尔超晶格带的一半填充时，观察到一个具有反铁磁居里-韦斯行为的莫特绝缘状态。在半充填状态以上，此实验表明，在充填系数接近0.6时，可能出现从反铁磁性到弱铁磁性的量子相变。此结果建立了一个新的基于摩尔超晶格的固态平台，可以用来模拟由三角晶格哈伯德模型描述的强相关物理学中的问题。相关成果以“Simulation of Hubbard model physics in WSe2/WS2 moiré superlattices”发表在《Nature》上。图2：WSe2/WS2 双层中的 II 型能带排列。2020.11.11莫尔超晶格部分填充的相关绝缘状态莫尔超晶格是通过堆叠两个具有小扭转角的相同晶格或两个具有小周期失配的晶格而形成的。莫尔超晶格提供的扁平电子迷你带导致了大量的新型现象。石墨烯莫尔系统显示出超导性、相关的绝缘状态和拓扑相。具有更强的相关性，二维过渡金属硫化物（TMD）莫尔超晶格在每个超晶格位点的一个孔处表现出莫特绝缘体状态，并且在填充因子为1/3和2/3的孔中表现出广义的维格纳结晶。后者表明与动力学晶格跳跃（t）相比，位间相互作用（即长程V）以及现场库仑斥力相互作用（U）的重要性。由于强大的长程相互作用，预见到相关状态的丰富相图，需要实验和理论研究。在这篇文章中，麦健辉教授和单杰教授报告了在二硒化钨/二硫化钨莫尔超晶格的分数填充处观察到的近二十种相关绝缘状态。这一发现是通过一种新的光学传感技术实现的，该技术基于二硒化钨单层半导体中激子激发态的介电环境的敏感性。绝缘状态的级联显示出一种能量顺序，它几乎对称于每个超晶格位点半个粒子的填充因子。作者提出了一系列电荷有序状态，其填充分数从广义维格纳晶体开始对密度波进行充电。此研究为使用摩尔超晶格模拟大量的量子多体问题奠定了基础。图 3：使用范德瓦尔斯异质结构平台对电荷间隙进行光学传感2021.09.15:半导体莫尔超晶格中的连续莫特跃迁由定域电子引起的相互作用（莫特转变）一般按照预计是发生在半填充的哈伯德模型中，当电子的动能（以带宽W为特征）远远超过它们的相互作用能（以现场库仑斥力U为特征）时，基态是具有明确定义的电子费米面的金属。相反，当U≫W时，基态是具有电荷间隙的电绝缘体。当U和W具有可比性时，系统会经历金属绝缘体转变（MIT）。尽管研究人员对此现象进行了广泛的理论研究，但具体的实验却少之又少。而半导体莫尔材料在三角形晶格上实现了高度可控的哈伯德模型模拟器，提供了一个独特的机会，通过电子相互作用的连续调谐来驱动金属-绝缘体转变 (MIT)。在这篇文章中，单杰教授和麦健辉教授通过电调节 MoTe2/WSe2 莫尔超晶格中的有效相互作用强度，观察到每个晶胞固定填充一个电子时的连续 MIT。研究发现，MoTe2/WSe2莫尔超晶格中的连续莫特转变在300 mK，并通过电阻的缩放坍塌、随着从绝缘侧接近临界点而持续消失的电荷间隙以及从金属侧发散的准粒子有效质量证实了量子临界性的存在。该结果与二维连续莫特转变的普遍批判理论一致。2021.10.27: 原子双层中强相关激子绝缘体想象一下，你最喜欢的电影院刚刚安装了一个每个人都想坐的VIP座位。如果看电影的人是玻色子，一种基本粒子，他们可以同时坐在这个座位上。这就是玻色-爱因斯坦凝聚背后的物理学原理，这种现象涉及气体中的大部分玻色子同时占据最低能量的量子态。目前，玻色-爱因斯坦凝聚已在冷原子气体中实现，这种气体由温度接近绝对零的原子组成。然而，由于所需机械的尺寸，维持微开尔文温度绝非易事。在这篇文章中，麦健辉教授与单杰教授报告了一种处于平衡状态的玻色子流体，即在TMD半导体双层中形成的强相关2D激子绝缘体基态。值得注意的是，它是在一个紧凑的固态设备中在高达100K的温度下产生——这在普通物理实验室的范围内。当施加在两个电隔离的TMD层之间的偏置电压被调整到一个范围内时，会产生准平衡空间间接激子流体，该范围内包含束缚电子-空穴对，但不包含自由电子或空穴。电容测量表明，流体是激子可压缩的，但电荷不可压缩——激子绝缘体的直接热力学证据。此外，研究人员还构建了一个激子相图，不仅揭示了莫特跃迁和相互作用稳定的准凝聚，还为实现激子的奇异量子相位以及应用的多终端激子电路铺平了道路。2021.12.22: 交织莫尔条纹的量子反常霍尔效应电子相关性和拓扑学是现代凝聚态物理学的两个核心线索。其中，半导体莫尔材料，尤其是过渡金属二硫属化物 (TMD) 异质结，为工程电子相关性、拓扑结构及其相互作用提供了高度可调的平台。目前，相关驱动的现象如莫特绝缘体、广义维格纳晶体、条纹相和连续莫特跃迁等，已经被证实。然而，迄今为止，在 TMD 中还没有实现非平凡的带拓扑。在这篇文章中，麦健辉教授和单杰教授首次在 AB 堆叠的 MoTe2/WSe2 莫尔异质双层中观察到的量子反常霍尔效应：在 ν = 1 处从莫特绝缘体到 QAH 绝缘体的拓扑相变。与 AA 堆叠的异质双层不同，面外电场不仅控制带宽，而且通过交织以不同层为中心的莫尔带来控制带拓扑。在半带填充处，对应于每个莫尔晶胞一个粒子，研究人员观察到量化霍尔电阻 h/e2（其中 h 和 e 分别表示普朗克常数和电子电荷），以及在零磁场下消失的纵向电阻。从莫特绝缘体到量子反常霍尔绝缘体的电场诱导拓扑相变先于绝缘体到金属的转变。令人惊讶的是，与大多数已知的拓扑相变相反，它不伴随大量电荷间隙闭合。该项工作为发现半导体莫尔材料中强相关性和拓扑结构的综合影响所产生的新兴现象铺平了道路。图6. AB 堆叠的 MoTe2/WSe2 异质双层2023.3.15 莫尔近藤晶格中的门可调重费米子莫尔材料为探索强相关的电子现象提供了一个高度可调的平台。.由于莫尔超晶格引起的平坦电子带，已经出现了一系列相关的绝缘、磁性和超导状态。.特别是，在摩尔纹带的一半填充处，在半导体莫尔材料中实现了具有局部磁矩的莫特绝缘体。强烈的电子相互作用打开了一个莫特间隙，有一个完全填充的哈伯德带。通过交换相互作用将流动电子耦合到局部矩的晶格已被提出为实现近藤晶格的途径。在最新一期的Nature上，麦健辉教授和单杰教授报告了在AB堆叠的MoTe2/Se2 莫尔双层中实现合成的近藤晶格，其中MoTe2层被调整到莫特绝缘状态，支持局部矩的三角形莫尔晶格，而Se2层则掺入了流动的传导载体。作者观察到重费米子在近藤温度以下有一个大的费米面。还观察到重费米子被外部磁场破坏，费米面大小和准粒子质量突然减少。作者进一步证明，通过流动载流子密度或近藤相互作用，近藤温度可以广泛和连续地进行门控调节。此研究为在一个基于半导体摩尔材料的单一器件中原位进入具有奇异量子临界点的近藤晶格相图提供了可能性。图7：AB 堆叠的 MoTe2/WSe2 中的 莫尔近藤晶格麦建辉教授，2005年毕业于香港科技大学，2010年获美国哥伦比亚大学物理学博士，随后分别在哥伦比亚大学和康奈尔大学纳米尺度科学研究所从事博士后研究。2014-2018年，以助理教授身份加入宾州州立大学物理系。2018年入职康奈尔大学应用与工程物理系。自2019年至今，任职教授。麦教授先后获得2012年IUPAP 青年科学家奖、2014年国际纯物理与应用物理联合会（IUPAP）量子电子学年轻科学家奖、2015年联邦能源部年轻研究奖及2016年美国空军年轻学者奖。其主要研究方向为探索原子级薄材料及其异质结构中的新物理现象，包括光谱学；二维量子材料及其异质结构；固体中的Berry曲率效应；二维超导和激子凝聚；磁性; 强相关物理学。迄今为止，已经在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Physics、Nature Photonics等著名期刊发表论文百余篇，引用次数超46944，H-index 58。单杰，1996 年获得俄罗斯莫斯科国立大学数学与物理专业文凭和博士学位。2001年获得哥伦比亚大学物理学博士学位。2002-2014年，在凯斯西储大学担任物理学助理和副教授；2014 - 2017 年，宾夕法尼亚州立大学副教授和正教授；2018 年加入康奈尔大学应用与工程物理学院，担任正教授。单杰教授的研究重点是纳米材料的光学和电子特性，特别是原子级薄的二维晶体（如石墨烯和二硫化钼）及其异质结构。迄今已在Nature、Physical review letters、Nature Nanotechnology、Nature Physics、Nature Photonics等著名期刊发表论文百余篇，引用次数46169，H-index 64。