最美的爱情之一，莫过于一起做实验，一起发顶刊。

年圣诞节前夕，康奈尔大学教授麦健辉、和同在该校担任教授的单洁，联合发表第六篇顶刊。

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麦健辉和单洁（来源：麦健辉）

成为“科研夫妻档”，他表示：“这是做研究的最好方法，因为我们可以互补。通过合作，我们可以弥补彼此的弱点，互相帮助。我相信这将大大提高我们的效率和生产力，也使我们的科学更加严谨。”

此次论文发表在Nature，论文题为《交织莫尔条纹的量子反常霍尔效应》（QuantumanomalousHalleffectfromintertwinedmoirébands）[]。

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相关论文（来源：Nature）

“一组非常有才华的博士后和学生”

麦健辉表示，其实验室对过渡金属二卤化物（TMDC）莫尔材料感兴趣已有一段时间。它是一个独特的系统，可以实现各种多体晶格哈密顿量（如哈伯德模型、凯恩-梅尔模型、近藤晶格模型等），并以高度可控的方式对其进行研究。

在某种意义上，该系统可被视为量子模拟器来模拟这些模型的复杂相图。尽管他和团队最近在这方面的研究取得了一些成功，但在这一研究领域中，形成允许电测量的良好触点一直是一个挑战，关键的一步是解决这个触点问题。

他说：“这个问题由我们研究小组的一组非常有才华的博士后和学生（李听昕、姜生伟、李利中和沈博文）解决。”

关键思想是使用一个小带隙半导体（本例中为MoTe2），然后设计具有有效接触门的器件结构，其可以在接触区域重掺杂空穴半导体。

同样重要的是，该团队设计出一种具有大晶格失配（在这种情况下，MoTe2堆叠在WSe2顶部）和高莫尔密度的材料组合。高莫尔密度也有利于形成良好的电接触，而良好电接触的形成，使其能够进行电测量并发现量子异常霍尔效应。

（来源：Nature）

他还指出，这一发现完全是偶然的，并表示根本没有预料到能观察到量子反常霍尔效应。

事实上，麦健辉的团队之前对一个相关系统进行了研究，AA堆叠的MoTe2/WSe2结构揭示了连续的Mott转换[2]。

AA堆叠的MoTe2/WSe2并不是拓扑结构。但偶然的是，该团队发现有一半的样品是AA堆叠形式，另一半样品却是AB堆叠形式，这只是样品制造过程的结果。

令人惊讶的是，AB堆叠样品却证明具有量子异常霍尔效应，这对他和团队来说是一个完全的惊喜。但意外发现是物理学中最好的结果。“作为实验者，我们高兴地接受了大自然的慷慨提议。”他表示。

随后，该团队与麻省理工学院的理论物理专家（特别是张杨和付亮）进行了讨论，对方进行了详细而周密的计算，令他惊讶的是计算结果表明，该系统在凝聚态物理学中实现了科学界中长期寻求的Kane-Mele模型。

通过电子间相互作用，可以在Kane-Mele模型中实现稳定量子反常霍尔效应。这是一个真正的团队努力才能使这项研究成为可能。

AB堆叠的MoTe2/WSe2结构特点

在凝聚态物理领域，长期寻求一种名叫的凯恩-梅勒模型的现实体。AB堆叠的MoTe2/WSe2结构是第一个在实验中被实现的名为（Kane-Melemodel）凯恩-梅勒模型。

该模型最早在年由宾夕法尼亚大学克里斯多福·H·布朗杰出物理学教授查尔斯·凯恩（CharlesL.Kane）和同事尤金·米尔（EugeneJ.Mele）教授在研究了石墨烯中自旋轨道相互作用影响时提出的。这是第一个被称为二维拓扑绝缘体的理论模型。

（来源：Nature）

然而，石墨烯的自旋轨道相互作用太弱，无法实现该模型提出的独特物理性质。此后的很长一段时间里，科学界始终无法攻克这个难题，在任何生化材料中都无法实现凯恩-梅勒模型。

直到麦健辉课题组发现了AB堆积的MoTe2/WSe2结构，该模型才第一次得以实现。

对此他说：“通过在AB叠层MoTe2/WSe2结构中缠绕两个莫尔平坦带，使我们首次有效地实现了凯恩-梅勒模型！”

据悉，AB堆积MoTe2/WSe2结构的另一个独特特征是电子之间的库仑相互作用非常强，尤其是该团队在其中又加入了莫尔平坦带，使得这种相互作用进一步加强。

这种强烈的相互作用产生了凯恩和梅勒的原始论文中没有预测到的东西，即由于自发时间反转对称性破缺而出现的量子反常效应。

（来源：Nature）

此外，这种相互作用还驱动了本研究首次观察到的独特的Mott绝缘体(莫特绝缘体)到QAH绝缘体（量子反常霍尔绝缘体）转变。总的来说，非平凡能带拓扑结构和强库仑相互作用的存在有望在未来的研究中发现许多奇异现象。

从Mott绝缘体到QAH绝缘体量子相变过程

当AB堆叠MoTe2/WSe2结构中的莫尔带不具有拓扑性时，强烈的电子关联性（由于莫尔平坦带）预计会在电子轨道半满时将系统驱动至Mott绝缘体（即，每莫尔晶胞一个电子）。

Mott绝缘体是电子之间强大的库仑斥力的结果，即使电子存在于一个完美的晶格结构中，也会使电子局域化（该想法最早由英国物理学家内维尔·弗朗西斯·莫特爵士（SirNevillFrancisMott）于年提出）。

在没有库仑斥力时，系统会在电子半满时呈现金属特点。现在，当外部电场反转了AB堆积MoTe2/WSe2结构中的莫尔带，并将其转化为拓扑态，同样的库仑斥力可以驱动铁磁不稳定性，从而自发破坏时间反转对称性，一个QAH绝缘体（量子反常霍尔绝缘体）就制作成功了！

（来源：Nature）

Mott-to-QAH（莫特绝缘体到量子反转尔绝缘体）转变其实是通过调谐连续外部电场来反转莫尔带而引起的两种物质状态之间的变化。这种转变的有趣方面是，与大多数已知的拓扑相变不同，这种转变不会闭合转变点处的电荷隙，这正是时间反转对称性破坏的独特结果。

不过，他也发现“Mott到QAH”的转变并没有显示出电荷间隙闭合，对此他解释称，微观机制在现阶段仍不是完全清楚的，只能说当涉及转变的两个状态的对称性不相同时，允许没有电荷隙闭合的拓扑相变。

过去的许多理论研究都证明了这一点。在这个特殊的例子中，QAH态是铁磁性的，并且打破了时间反转对称性。而莫特态很可能是顺磁性的，并且不会自发破坏时间反转对称性。

因此，系统的对称性在过渡点上发生变化（一个打破了时间反转对称性，另一个没有），这样的拓扑相变允许不存在电荷隙闭合的。

由于手性边缘状态以QAH状态存在，因此发生这种转变的唯一可能方法是通过突变的一阶相变实现。麦健辉预计QAH-Mott相混合物接近转变点，这需要在未来的实验中进行验证。

当然，上面关于对称性的讨论只能告诉人们是否允许电荷隙闭合的转变，它并没有告诉人们它一定会发生。Mott绝缘体到QAH绝缘体的转变也可以是在临界点处具有电荷隙闭合的连续转变。如果未来有人报道其他材料系统中可以实现电荷间隙闭合的连续Mott-to-QAH过渡，他也不会感到惊讶。

有望用于建立电子高速公路和量子比特的相关的应用

QAH绝缘体支持无耗散传输，因此可以想象将它们用作能够以最有效方式传输电子（即没有能量损失）的高速公路。人们还可以想象将来通过构建QAH干涉仪为量子计算机制作量子比特。

该研究的另一个重要意义是希望显着提高实现QAH状态的温度，因为QAH状态可以通过库仑相互作用进行稳定，库仑相互作用的能级范围大致等于室温范围。

事实上，一旦从QAH状态移开并进入Mott状态时，Mott状态的电荷隙就会迅速达到室温范围。麦健辉希望通过设计一种准确的材料系统或器件结构，可以移动Mott-QAH边界并显着提高QAH状态的温度范围。这将是非常重要的，因为你现在在更不严格的条件下实现建立电子高速公路和量子比特的相关的应用。

下一步，麦健辉和单洁将致力于更好地理解QAH态的本质属性，绘制出Kane-Mele模型相空间中的其他区域，试图创建Haldane模型，使用超导体进行近似化，使用QAH效应以最有效的方式切换铁磁性等。

他表示：“这是一个非常丰富的系统，里面蕴含着很多未知的新发现。我们发表的研究结论只是第一步”

据介绍，麦建辉年毕业于香港科技大学，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从事博士后研究。年入职康奈尔大学物理系和应用与工程物理系。

单洁则于年获得俄罗斯莫斯科国立大学数学与物理专业文凭学位。年获得哥伦比亚大学物理学博士学位。年加入康奈尔大学应用与工程物理学院，担任正教授。

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支持：张智、周静昕参考：、Li,T.,Jiang,S.,Shen,B.etal.QuantumanomalousHalleffectfromintertwinedmoirébands.Nature,64–().

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