鑽石舞台

雙層魔角石墨烯(MATBG)擁有許多可以通過靜電摻雜來調控的關聯態。輸運和掃描探針實驗已經證實了其中的能帶絕緣體、關聯絕緣體、陳絕緣體以及超導性。各種態的原位可調性為實現可調諧約瑟夫森結提供了可能。然而，雖然相位相干現象已被觀測到，但尚未實現對超導凝聚態相位差的控制。鑑於此，基於柵極可調約瑟夫森結，我們在MATBG中構建了超導量子干涉裝置(SQUID)，其中超導相位差可以通過磁場來調控。我們觀測到臨界電流的磁振盪，證明了有效電荷為2e的超導載流子的長程相干性。並且通過靜電調控結的臨界電流來調整不對稱和對稱SQUID配置。這種可調性可以實現對器件中電感的研究，結果發現電感值高達2 μH。此外，我們直接探測了其中一個結的電流-相位關係。我們的結果表明，MATBG器件可用於揭示材料的性質，結合SQUID的應用歷史，這將促進諸如相位滑移結或高動態電感探測器等設備的發展。

(任雅寧)

A tunable monolithic SQUID in twisted bilayer graphene

Elías Portolés et al.

Nat. Nanotechnol. 17, 1159–1164 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01222-0

在范德華異質結界面處，晶體對稱性和電子結構可以被重建，從而產生優於或現存材料所缺乏的物理性質。本文通過研究伯納爾雙層石墨烯莫爾超晶格以30°的旋轉角度封裝在氮化硼中，在體系中觀測到前所未有的鐵電極化，其區域的電荷密度可以高達1013 cm-2，其承載電荷的數量遠遠超出摩爾能帶。電荷轉移極化強度約為5 pC m-1，是人工堆疊的范德瓦爾斯晶體所產生的最高界面鐵電體之一。具有柵壓特異性的鐵電性以及伴生的異常屏蔽效應，通過朗道能級進一步地被可視化，此外在費米表面位於摩爾能帶之外仍然穩定存在，表明二者的出現與關聯電子之間沒有明顯的聯繫。我們還發現，具有柵壓特異性的電阻遲滯環路能夠通過其他的柵壓進行調控，提供一種額外的控制旋鈕。進一步地，鐵電開關可以應用於拓撲谷電流等本徵性質。綜上所述，具有強電荷極化增強的柵壓特異性的鐵電體可以更多地用於探索去優化並且豐富其新奇特性，進一步地促進各種量子鐵電開關器件的應用。

(趙亞新)

Giant ferroelectric polarization in a bilayer graphene heterostructure

Ruirui Niu et al.

Nat. Commun. 13, 6241 (2022).

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34104-z

當頂層填充因子(νT)和底層填充因子(νB)接近νT = ±1/2、±3/2和νB = ±1/2、±3/2，且總填充因子ν = ±1或±3時，我們報道了角度控制的雙單層石墨烯異質結構在零層間偏置條件下的層間隧穿增強和線寬減小。零偏壓的層間電導峰值對層間填充因子的變化是穩定的，標誌着層間相位相干的出現。我們的結果強調角度控制是利用隧穿揭示層間相干性的關鍵手段。

(趙亞新)

Emergence of Interlayer Coherence in Twist-Controlled Graphene Double Layers

Kenneth A. Lin et al.

Phys. Rev. Lett.129, 187701 (2022).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.187701

轉角雙層-雙層石墨烯(tDBG)由兩個雙層石墨烯之間旋轉一定角度組成。應用於tDBG器件的頂柵和背柵可以同時實現對電子帶帶寬和拓撲結構的調控，實現非同尋常的實驗調控手段。在轉角為1.2°-1.3°的tDBG器件中存在自旋和谷對稱性破缺的金屬態，但是關於這些態的拓撲性和序參數仍然是未知的。本文報道了在tDBG中的關聯金屬態中觀測到反常霍爾效應，在平面外磁場掃場下的磁滯迴路跨越了數百毫特斯拉，證明體系存在自發的時間-反演對稱性破缺。平面外磁場下的滯後性在面內磁場高達幾特斯拉的情況下仍持續存在，標誌着谷(軌道)鐵磁性。同時，即使是毫特斯拉量級的平面磁場對電阻率的影響效果十分強烈，表明面內磁場和谷自由度之間存在自旋-谷耦合或者直接的軌道耦合。

(趙亞新)

Spontaneous time-reversal symmetry breaking in twisted double bilayer graphene

Manabendra Kuiri et al.

Nat. Commun.13, 6468 (2022).

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34192-x

層間激子(IXs)之間強的、長程的偶極子-偶極子相互作用可以產生新的多粒子關聯體系。這些相互作用驅動整個體系產生不同的量子和經典相，包括偶極液體、晶體和超流體。對於雙層半導體材料的IXs，理論預測了其中既可以存在排斥偶極相互作用，也可以存在吸引偶極相互作用。但迄今為止，實驗只報道了排斥相互作用。本研究報道了在懸浮的轉角(51°, 53°, 45°)硒化鎢/硫化鎢(WSe2/WS2)雙層異質結中，我們觀察到了IXs之間的偶極相互作用從排斥轉變為吸引。這一現象是由量子交換關聯效應引起的，導致了一個魯棒的層間雙激子相(由兩個IXs形成)，這些在理論上已經被預測，但是還從未在實驗中觀察到。在懸浮的雙層異質結中，減少介電屏蔽不僅大大提高了IXs的形成效率，而且導致了偶極-偶極相互作用的劇烈增強。這使我們能夠觀察到：在二維量子極限下，本徵IXs的多體關聯效應。此外，我們首次於室溫下，在一個完全對齊的，懸浮的WSe2/WS2雙層異質結中觀察到受限於莫爾中的IXs的幾個發射峰。我們的發現為探索具有非線性光學應用潛力的新量子相開闢了道路。

(周嘯峰)

Enhanced interactions of interlayer excitons in free-standing heterobilayers

Xueqian Sun et al.

Nature 610, 478-484 (2022).

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05193-z

我們報道了石墨烯-單層氙異質結構中的高階莫爾條紋。通過退火調控單層氙的晶格常數，可以使莫爾周期從幾納米原位調製到無窮大。利用角分辨光電子能譜進行研究發現，隨着莫爾周期變大，到最終演化為Kekulé畸變，狄拉克複製能帶會逐漸靠近、重合，並打開一個能隙。理論上，利用狄拉克費米子能谷間耦合的莫爾哈密頓量可以解釋實驗現象，並表明存在莫爾平帶。由此，我們發現了一個研究莫爾條紋連續演變的新平台，並為調製狄拉克費米子的能谷間耦合提供了新方法。

(任雅寧)

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).

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.176402

陳絕緣體是一種二維材料，具有由拓撲和時間反演對稱性破缺相結合導致的手性邊界態。這種邊界態是完美的一維導體，它不僅可以存在於樣品邊界上，還可以存在於具有不同拓撲不變量(陳數)的兩種材料的交界處。由於利用拓撲邊界態進行節能信息傳輸的興起，這種界面工程有望得到應用。這裡，我們報道了一種基於層狀磁性拓撲材料MnBi2Te4中陳絕緣體結的手性邊界電流分配器。我們發現，在不同層數的交界處，不同陳數的拓撲疇可以共存。在疇交界處，形成了陳絕緣體結，我們確定了沿結界面的手性邊界模。進一步地，我們利用它構建了拓撲電路，在拓撲電路中，手性邊界電流可以通過控制單個疇的陳數來實現分流、重新規劃路徑或關閉。該結果表明MnBi2Te4將成為設計拓撲電路的新平台。

(任雅寧)

Topological current divider in a Chern insulator junction

Dmitry Ovchinnikov et al.

Nat Commun. 13, 5967 (2022)

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33645-7

對稱性，量子幾何和電子關聯是凝聚態物理中最重要的組成部分，並導致了實驗中一些非平庸的現象。例如，互易的電荷輸運。其中，特別值得關注的是這種非互易的輸運是否可以實現操縱。在這裡，我們報道了在本徵的磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4中可控的顯著非互易的電荷輸運。在手性邊界附近觀察到了與電流相關的電阻，並且具有磁性切換、邊界位置敏感和堆垛序列調控的特點。施加柵極電壓也能有效地操縱非互易響應。非互易電荷輸運的觀察和操縱揭示了手性在電荷輸運中的基礎性作用，並且為利用手性工程開發范德華自旋電子器件鋪平了道路。

(周嘯峰)

Controlled large non-reciprocal charge transport in an intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4

Zhaowei Zhang et al.

Nat. Commun. 13, 6191 (2022).

https://www.nature.com/articles/s41467-022-33705-y

降低層狀材料的維度可以產生不同於其塊體晶體的性質。然而，原子級薄厚樣品中湧現的性質，特別是在金屬性的單層樣品中，往往是以犧牲其他重要特性為代價的。例如，雖然伊辛超導—來自K和K』谷的具有相反面外自旋的電子配對，導致了超越泡利極限的面內上臨界場—這一現象沒有在塊體NbSe2中發生，只在二維單層樣品中觀察到。然而，與塊體相比，它的臨界溫度降低了。在這裡，我們採用了另一種方法來控制超導性質，即通過向塊體NbSe2晶體中插入離子液體中的陽離子的方法。這產生了與沒有插層的塊體材料類似的臨界溫度，並且比單層材料更加穩定。我們的角分辨光電子能譜的測量揭示了其有效的二維電子結構，並且通過比較插層後的塊體NbSe2和單層NbSe2薄膜的電子能帶結構，揭示了插層可以導致電子摻雜。這表明離子液體陽離子插層是一種有效的控制維度和載流子濃度的技術，可以實現超越塊體晶體和單層樣品的特定性能。

(周嘯峰)

Tailored Ising superconductivity in intercalated bulk NbSe2

Haoxiong Zhang et al.

Nat. Phys. (2022).

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01778-7

拓撲絕緣體(TI)與s波超導體的界面被預測為拓撲超導。雖然已經通過分子束外延實現了在s波超導體上外延TI薄膜的生長，但合成原子級薄厚的TI/超導體異質結構仍然是一個突出的挑戰，這對拓撲超導相工程至關重要。我們利用分子束外延在單層NbSe2上生長具有厚度可控的Bi2Se3薄膜，並對這些異質結構進行原位角度分辨光電發射光譜和磁輸運測量。我們發現Rashba-type體量子阱帶和自旋非簡併表面態的出現與Bi2Se3/單層NbSe2異質結構中超導的面內臨界磁場的顯著抑制相一致。這是因為改變Bi2Se3薄膜厚度而引起的從Ising型超導配對到Rashba型超導配對的交叉行為。我們的工作為探索TI/Ising超導體異質結構中的魯棒拓撲超導相開闢了一條道路。

(趙亞新)

Crossover from Ising-to Rashba-type superconductivity in epitaxial Bi2Se3/monolayer NbSe2 heterostructures

Hemian Yi et al.

Nat. Mater. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01386-z

隨着晶體管尺寸減小到納米級，有效的廢熱散熱變得越來越具有挑戰性。受到普適的Umklapp聲子散射的影響，半導體的熱導率在較高的溫度下下降，並在高功率條件下導致傳熱效果下降。在這個研究中，我們在一個單層的MoSe2-WSe2橫向異質結中，同時實現了電和熱整流(TR)。原子級薄厚的MoSe2-WSe2異質結形成了一個開關比高達104的電二極管。同時在高偏壓，異質結二極管處於導通狀態時，會形成從MoSe2到WSe2的首選導熱通道，TR係數高達96%。由於局部溫度梯度引起的TR效應，在較高的溫度下會獲得較高的導熱係數。此外，可以通過旋轉單層異質結界面的角度將TR因子從最大值調節到0。這一結果為設計具有增強散熱性能的新型納米電子器件開闢了道路。

(周嘯峰)

Simultaneous electrical and thermal rectification in a monolayer lateral heterojunction

Yufeng Zhang et al.

Science 378, 169-175 (2022).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq0883

層間耦合是調控二維范德華材料物理性質的一個重要參數。當兩層半導體以一定轉角堆疊時，莫爾超晶格引起的層間耦合周期性調製會賦予體系新奇的物理現象，例如莫爾激子和關聯電子相。倘若要深入研究這些現象，揭示原子層間耦合就至關重要。最近，菱方堆垛的雙層過渡金屬硫化物(TMD)由於具有面外極化引起人們的廣泛關注，而其單層結構並不具備鐵電性。然而，層間耦合這一關鍵參數與鐵電性的關係仍然是難以捉摸的。這裡，我們研究了3R-MoS2雙層結構，探測了其中一層的導帶和另一層價帶之間的不對稱層間耦合，這可以理解為層相關Berry相位纏繞的結果。通過在雙柵極器件中進行光譜分析，我們發現在K點存在有效的II型能帶排列。此外，通過揭示對能帶偏移的各種貢獻，我們定量地確定了3R-MoS2中的不對稱層間耦合和自發極化。我們的結果揭示了TMD同質結中堆疊誘導鐵電的物理性質，對二維半導體中莫爾物理的研究具有重要意義。

(任雅寧)

Optically Probing the Asymmetric Interlayer Coupling in Rhombohedral-Stacked MoS2 Bilayer

Jing Liang et al.

Phys. Rev. X 12, 041005 (2022).

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.041005