转角电子学
基于双层转角石墨烯的可调谐SQUID
双层魔角石墨烯(MATBG)拥有许多可以通过静电掺杂来调控的关联态。输运和扫描探针实验已经证实了其中的能带绝缘体、关联绝缘体、陈绝缘体以及超导性。各种态的原位可调性为实现可调谐约瑟夫森结提供了可能。然而，虽然相位相干现象已被观测到，但尚未实现对超导凝聚态相位差的控制。鉴于此，基于栅极可调约瑟夫森结，我们在MATBG中构建了超导量子干涉装置(SQUID)，其中超导相位差可以通过磁场来调控。我们观测到临界电流的磁振荡，证明了有效电荷为2e的超导载流子的长程相干性。并且通过静电调控结的临界电流来调整不对称和对称SQUID配置。这种可调性可以实现对器件中电感的研究，结果发现电感值高达2 μH。此外，我们直接探测了其中一个结的电流-相位关系。我们的结果表明，MATBG器件可用于揭示材料的性质，结合SQUID的应用历史，这将促进诸如相位滑移结或高动态电感探测器等设备的发展。
(任雅宁)
A tunable monolithic SQUID in twisted bilayer graphene
Elías Portolés et al.
Nat. Nanotechnol. 17, 1159–1164 (2022).
双层石墨烯异质结中的巨铁电极化
在范德华异质结界面处，晶体对称性和电子结构可以被重建，从而产生优于或现存材料所缺乏的物理性质。本文通过研究伯纳尔双层石墨烯莫尔超晶格以30°的旋转角度封装在氮化硼中，在体系中观测到前所未有的铁电极化，其区域的电荷密度可以高达1013 cm-2，其承载电荷的数量远远超出摩尔能带。电荷转移极化强度约为5 pC m-1，是人工堆叠的范德瓦尔斯晶体所产生的最高界面铁电体之一。具有栅压特异性的铁电性以及伴生的异常屏蔽效应，通过朗道能级进一步地被可视化，此外在费米表面位于摩尔能带之外仍然稳定存在，表明二者的出现与关联电子之间没有明显的联系。我们还发现，具有栅压特异性的电阻迟滞环路能够通过其他的栅压进行调控，提供一种额外的控制旋钮。进一步地，铁电开关可以应用于拓扑谷电流等本征性质。综上所述，具有强电荷极化增强的栅压特异性的铁电体可以更多地用于探索去优化并且丰富其新奇特性，进一步地促进各种量子铁电开关器件的应用。
(赵亚新)
Giant ferroelectric polarization in a bilayer graphene heterostructure
Ruirui Niu et al.
Nat. Commun. 13, 6241 (2022).
角度控制的双单层石墨烯层间相干的出现
当顶层填充因子(νT)和底层填充因子(νB)接近νT = ±1/2、±3/2和νB = ±1/2、±3/2，且总填充因子ν = ±1或±3时，我们报道了角度控制的双单层石墨烯异质结构在零层间偏置条件下的层间隧穿增强和线宽减小。零偏压的层间电导峰值对层间填充因子的变化是稳定的，标志着层间相位相干的出现。我们的结果强调角度控制是利用隧穿揭示层间相干性的关键手段。
(赵亚新)
Emergence of Interlayer Coherence in Twist-Controlled Graphene Double Layers
Kenneth A. Lin et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 187701 (2022).
转角双层-双层石墨烯中自发的时间反演对称性破缺
转角双层-双层石墨烯(tDBG)由两个双层石墨烯之间旋转一定角度组成。应用于tDBG器件的顶栅和背栅可以同时实现对电子带带宽和拓扑结构的调控，实现非同寻常的实验调控手段。在转角为1.2°-1.3°的tDBG器件中存在自旋和谷对称性破缺的金属态，但是关于这些态的拓扑性和序参数仍然是未知的。本文报道了在tDBG中的关联金属态中观测到反常霍尔效应，在平面外磁场扫场下的磁滞回路跨越了数百毫特斯拉，证明体系存在自发的时间-反演对称性破缺。平面外磁场下的滞后性在面内磁场高达几特斯拉的情况下仍持续存在，标志着谷(轨道)铁磁性。同时，即使是毫特斯拉量级的平面磁场对电阻率的影响效果十分强烈，表明面内磁场和谷自由度之间存在自旋-谷耦合或者直接的轨道耦合。
(赵亚新)
Spontaneous time-reversal symmetry breaking in twisted double bilayer graphene
Manabendra Kuiri et al.
Nat. Commun. 13, 6468 (2022).
悬浮双层异质结中层间激子相互作用的增强
层间激子(IXs)之间强的、长程的偶极子-偶极子相互作用可以产生新的多粒子关联体系。这些相互作用驱动整个体系产生不同的量子和经典相，包括偶极液体、晶体和超流体。对于双层半导体材料的IXs，理论预测了其中既可以存在排斥偶极相互作用，也可以存在吸引偶极相互作用。但迄今为止，实验只报道了排斥相互作用。本研究报道了在悬浮的转角(51°, 53°, 45°)硒化钨/硫化钨(WSe2/WS2)双层异质结中，我们观察到了IXs之间的偶极相互作用从排斥转变为吸引。这一现象是由量子交换关联效应引起的，导致了一个鲁棒的层间双激子相(由两个IXs形成)，这些在理论上已经被预测，但是还从未在实验中观察到。在悬浮的双层异质结中，减少介电屏蔽不仅大大提高了IXs的形成效率，而且导致了偶极-偶极相互作用的剧烈增强。这使我们能够观察到：在二维量子极限下，本征IXs的多体关联效应。此外，我们首次于室温下，在一个完全对齐的，悬浮的WSe2/WS2双层异质结中观察到受限于莫尔中的IXs的几个发射峰。我们的发现为探索具有非线性光学应用潜力的新量子相开辟了道路。
(周啸峰)
Enhanced interactions of interlayer excitons in free-standing heterobilayers
Xueqian Sun et al.
Nature 610, 478-484 (2022).
石墨烯-单层氙异质结中原位可调的高阶莫尔条纹对狄拉克费米子的调制
我们报道了石墨烯-单层氙异质结构中的高阶莫尔条纹。通过退火调控单层氙的晶格常数，可以使莫尔周期从几纳米原位调制到无穷大。利用角分辨光电子能谱进行研究发现，随着莫尔周期变大，到最终演化为Kekulé畸变，狄拉克复制能带会逐渐靠近、重合，并打开一个能隙。理论上，利用狄拉克费米子能谷间耦合的莫尔哈密顿量可以解释实验现象，并表明存在莫尔平带。由此，我们发现了一个研究莫尔条纹连续演变的新平台，并为调制狄拉克费米子的能谷间耦合提供了新方法。
(任雅宁)
Tailoring Dirac Fermions by In-Situ Tunable High-Order Moiré Pattern in Graphene-Monolayer Xenon Heterostructure
Chunlong Wu et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 176402 (2022).
拓扑物理
陈绝缘体结中的拓扑分流器
陈绝缘体是一种二维材料，具有由拓扑和时间反演对称性破缺相结合导致的手性边界态。这种边界态是完美的一维导体，它不仅可以存在于样品边界上，还可以存在于具有不同拓扑不变量(陈数)的两种材料的交界处。由于利用拓扑边界态进行节能信息传输的兴起，这种界面工程有望得到应用。这里，我们报道了一种基于层状磁性拓扑材料MnBi2Te4中陈绝缘体结的手性边界电流分配器。我们发现，在不同层数的交界处，不同陈数的拓扑畴可以共存。在畴交界处，形成了陈绝缘体结，我们确定了沿结界面的手性边界模。进一步地，我们利用它构建了拓扑电路，在拓扑电路中，手性边界电流可以通过控制单个畴的陈数来实现分流、重新规划路径或关闭。该结果表明MnBi2Te4将成为设计拓扑电路的新平台。
(任雅宁)
Topological current divider in a Chern insulator junction
Dmitry Ovchinnikov et al.
Nat Commun. 13, 5967 (2022)
本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中可控的显著非互易电荷输运
对称性，量子几何和电子关联是凝聚态物理中最重要的组成部分，并导致了实验中一些非平庸的现象。例如，互易的电荷输运。其中，特别值得关注的是这种非互易的输运是否可以实现操纵。在这里，我们报道了在本征的磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中可控的显著非互易的电荷输运。在手性边界附近观察到了与电流相关的电阻，并且具有磁性切换、边界位置敏感和堆垛序列调控的特点。施加栅极电压也能有效地操纵非互易响应。非互易电荷输运的观察和操纵揭示了手性在电荷输运中的基础性作用，并且为利用手性工程开发范德华自旋电子器件铺平了道路。
(周啸峰)
Controlled large non-reciprocal charge transport in an intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4
Zhaowei Zhang et al.
Nat. Commun. 13, 6191 (2022).
Ising 超导
插层块体NbSe2中特定的伊辛超导
降低层状材料的维度可以产生不同于其块体晶体的性质。然而，原子级薄厚样品中涌现的性质，特别是在金属性的单层样品中，往往是以牺牲其他重要特性为代价的。例如，虽然伊辛超导—来自K和K’谷的具有相反面外自旋的电子配对，导致了超越泡利极限的面内上临界场—这一现象没有在块体NbSe2中发生，只在二维单层样品中观察到。然而，与块体相比，它的临界温度降低了。在这里，我们采用了另一种方法来控制超导性质，即通过向块体NbSe2晶体中插入离子液体中的阳离子的方法。这产生了与没有插层的块体材料类似的临界温度，并且比单层材料更加稳定。我们的角分辨光电子能谱的测量揭示了其有效的二维电子结构，并且通过比较插层后的块体NbSe2和单层NbSe2薄膜的电子能带结构，揭示了插层可以导致电子掺杂。这表明离子液体阳离子插层是一种有效的控制维度和载流子浓度的技术，可以实现超越块体晶体和单层样品的特定性能。
(周啸峰)
Tailored Ising superconductivity in intercalated bulk NbSe2
Haoxiong Zhang et al.
Nat. Phys. (2022).
外延Bi2Se3/单层NbSe2异质结中Ising型超导到Rashba型超导的交叉
拓扑绝缘体(TI)与s波超导体的界面被预测为拓扑超导。虽然已经通过分子束外延实现了在s波超导体上外延TI薄膜的生长，但合成原子级薄厚的TI/超导体异质结构仍然是一个突出的挑战，这对拓扑超导相工程至关重要。我们利用分子束外延在单层NbSe2上生长具有厚度可控的Bi2Se3薄膜，并对这些异质结构进行原位角度分辨光电发射光谱和磁输运测量。我们发现Rashba-type体量子阱带和自旋非简并表面态的出现与Bi2Se3/单层NbSe2异质结构中超导的面内临界磁场的显著抑制相一致。这是因为改变Bi2Se3薄膜厚度而引起的从Ising型超导配对到Rashba型超导配对的交叉行为。我们的工作为探索TI/Ising超导体异质结构中的鲁棒拓扑超导相开辟了一条道路。
(赵亚新)
Crossover from Ising-to Rashba-type superconductivity in epitaxial Bi2Se3/monolayer NbSe2 heterostructures
Hemian Yi et al.
Nat. Mater. (2022).
其他
在单层横向异质结中同时进行的电和热整流
随着晶体管尺寸减小到纳米级，有效的废热散热变得越来越具有挑战性。受到普适的Umklapp声子散射的影响，半导体的热导率在较高的温度下下降，并在高功率条件下导致传热效果下降。在这个研究中，我们在一个单层的MoSe2-WSe2横向异质结中，同时实现了电和热整流(TR)。原子级薄厚的MoSe2-WSe2异质结形成了一个开关比高达104的电二极管。同时在高偏压，异质结二极管处于导通状态时，会形成从MoSe2到WSe2的首选导热通道，TR系数高达96%。由于局部温度梯度引起的TR效应，在较高的温度下会获得较高的导热系数。此外，可以通过旋转单层异质结界面的角度将TR因子从最大值调节到0。这一结果为设计具有增强散热性能的新型纳米电子器件开辟了道路。
(周啸峰)
Simultaneous electrical and thermal rectification in a monolayer lateral heterojunction
Yufeng Zhang et al.
Science 378, 169-175 (2022).
光学探测菱方堆垛双层MoS2中的非对称层间耦合
层间耦合是调控二维范德华材料物理性质的一个重要参数。当两层半导体以一定转角堆叠时，莫尔超晶格引起的层间耦合周期性调制会赋予体系新奇的物理现象，例如莫尔激子和关联电子相。倘若要深入研究这些现象，揭示原子层间耦合就至关重要。最近，菱方堆垛的双层过渡金属硫化物(TMD)由于具有面外极化引起人们的广泛关注，而其单层结构并不具备铁电性。然而，层间耦合这一关键参数与铁电性的关系仍然是难以捉摸的。这里，我们研究了3R-MoS2双层结构，探测了其中一层的导带和另一层价带之间的不对称层间耦合，这可以理解为层相关Berry相位缠绕的结果。通过在双栅极器件中进行光谱分析，我们发现在K点存在有效的II型能带排列。此外，通过揭示对能带偏移的各种贡献，我们定量地确定了3R-MoS2中的不对称层间耦合和自发极化。我们的结果揭示了TMD同质结中堆叠诱导铁电的物理性质，对二维半导体中莫尔物理的研究具有重要意义。
(任雅宁)
Optically Probing the Asymmetric Interlayer Coupling in Rhombohedral-Stacked MoS2 Bilayer
Jing Liang et al.
Phys. Rev. X 12, 041005 (2022).