二维材料物理研究进展导读|2022年9月
平带物理
多层“魔角”石墨烯中的超导增强
石墨烯莫尔超晶格表现出丰富的关联绝缘相，拓扑相和超导相。尽管强关联和非平庸拓扑的起源可以直接与平带相联系，但超导的本质仍然是个谜。实验证明了在单层二硒化钨，转角三层，四层和五层石墨烯制成的“魔角”石墨烯器件，表现出flavor polarization和超导电性。实验观察到在有限电位移场下，三层和四层“魔角”石墨烯出现了绝缘态。随着“魔角”石墨烯层数的增加，在增强的填充因子范围内出现超导电性。在五层石墨烯中，每个莫尔晶胞内填充的电子数量远超过四个电子。我们的实验结果强调了在石墨烯莫尔超晶格中平带和更多色散带之间的相互作用对扩展超导区域的作用。
(赵亚新)
Promotion of superconductivity in magic-angle graphene multilayers
Yiran Zhang et al.
Science. 377, 1538-1543 (2022).
同位旋扩展哈伯德模型模拟器中的可调谐量子临界现象
研究强电子关联性一直是推动凝聚态物理学前沿发展的重要动力。特别是在关联驱动的量子相变(QPTs)附近，多自由度的量子临界涨落促进了奇异的多体态和超越朗道框架的量子临界行为。最近，由范德华材料组成的莫尔异质结已经被证明是用于探索极具吸引力的强关联量子物理的高度可调谐的量子平台。本文报道了在以手性堆叠的双双层转角石墨烯(cTDBG)作为产生自旋-谷同位旋的扩展哈伯德模型的实验模拟器中观察到的可调谐的量子临界现象。标度分析表明，当广义维格纳晶体通过改变位移场过渡到费米液体时，量子两级临界表现出两个不同的量子临界点，表明出现了一个临界中间相。当施加高平行磁场时，量子两级临界演化为量子伪临界。在这种伪临界条件下，我们发现量子临界标度只在临界温度以上有效，表明在此范围内存在弱的一阶QPT。我们的结果展示了一个具有复杂的多重自由度相互作用的高度可调谐的固态模拟器，用于探索奇异的量子临界态和行为。
(周啸峰)
Tunable quantum criticalities in an isospin extended Hubbard model simulator
Qiao Li et al.
Nature 609, 479-484 (2022)
菱面体石墨平带中竞争关联基态的观测
在晶体中，电荷和自旋的相互作用可以产生丰富的量子基态，尤其是拓扑平带的部分填充，例如在朗道能级或“魔角”石墨烯中。然而对于菱面体石墨(RG)的研究却并不多，它或许是拥有对称性保护平带的最简单、结构上最完美的凝聚态体系。本文中，利用扫描隧道显微镜，我们绘制了8层、10层、14层和17层的平带电荷密度，发现了由于子格反铁磁绝缘体和无能隙关联顺磁体两种态之间的竞争导致的畴结构。利用密度矩阵重整化群计算解释了观测到的特征，并证明这种关联性从根本上不同于迄今为止发现的基于石墨烯的磁性，形成了一种量子磁体的基态。我们的工作建立了以菱面体石墨为平台，用以研究超出平均场方法的多体相互作用，其中量子涨落和纠缠占主导地位。
(任雅宁)
Observation of competing, correlated ground states in the flat band of rhombohedral graphite
Imre Hagymási et al.
Sci. Adv. 8, eabo6879 (2022).
热电导法测定分数量子霍尔相的拓扑边缘量子数
确定分数量子霍尔态的拓扑量子数反向传播的逆流和顺流边缘模式，对存在或不存在边缘模式平衡的情况下，探究量子化输运具有至关重要的作用。在电荷传输中达到非平衡状态十分具有挑战性，然而我们的探究目标是热霍尔电导率GQ，其完全取决于边缘量子数Nd和Nu。我们的实验装置是由六方氮化硼封装的，同时具备栅压可调性的单层石墨烯器件。在高达35mK的温度，测量的GQ在ν = 2/3和ν = 3/5(使用CP模式)时，与非平衡状态的量化值(Nd+ Nu)κ0T相匹配。其中，κ0T是GQ的量子数。随着温度升高，GQ减小并最终取平衡状态的值(Nd - Nu)κ0T。相比之下，在ν = 1/3和ν = 2/5(不考虑CP模式)时，GQ与温度无关，稳定保持在量子化数值Nd κ0T处。因此，通过在两种状态下测量GQ的量子化数值，得以确定边缘量子数，为寻找奇异的非阿贝尔FQH态的拓扑序开辟了全新的途径。
(赵亚新)
Determination of topological edge quantum numbers of fractional quantum Hall phases by thermal conductance measurements
Saurabh Kumar Srivastav et al.
Nat. Commun. 13, 5185 (2022).
石墨烯中整数和分数量子霍尔边界模的热平衡
分数量子霍尔效应的空穴共轭态产生了用于交换电荷和能量的相向边界通道。这些交换作用一直是大量理论和实验工作的主题；特别是，目前还不清楚由完全填充的朗道能级导致的整数量子霍尔边界通道的出现是否会影响边界的热平衡。在这篇文章中，我们展示了石墨烯中量子霍尔态的热输运测量结果，证明了整数通道可以与分数通道很好的平衡，从而导致依赖于边界静电的量化热输运的明显不同区域。我们的结果呈现了一个对于分数量子霍尔体系中的复杂边界物理的更好的理解。
(周啸峰)
Heat equilibration of integer and fractional quantum Hall edge modes in graphene
G. Le Breton et al.
Phys. Rev. Lett. 129, 116803 (2022)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.116803
自旋电子学
近邻磁化的量子自旋霍尔绝缘体:单层1T' WTe2/Cr2Ge2Te6
范德华异质结构可以在不同层状材料之间的界面上调整相互作用，并诱发新奇的物理现象。本文中，我们将单层量子自旋霍尔绝缘体1T’相的WTe2与少层绝缘铁磁体Cr2Ge2Te6组成异质结构，通过界面交换相互作用在WTe2中引入了铁磁序。WTe2的铁磁性表现为反常能斯特效应、反常霍尔效应以及各向异性磁阻效应。利用局部电极，我们识别了来自金属边界和绝缘体态的不同输运贡献。在交流电驱动下的二次谐波电压响应，类似于非局域加热器对交流温度梯度的反常能斯特响应，表现为与感应磁化方向相关的非互易信号。我们从不同电极得到的结果揭示了磁化量子自旋霍尔绝缘体中的自旋极化边界态。
(任雅宁)
Proximity-magnetized quantum spin Hall insulator: monolayer 1T’ WTe2/Cr2Ge2Te6
Junxue Li et al.
Nat Commun. 13, 5134 (2022).
钴原子掺杂单层1T-TaSe2中的自旋近藤效应
量子自旋液体具有高度纠缠的无序磁性态，预测存在于受挫莫特绝缘体中同时表现出奇异的分数激发，例如自旋子和电荷子。尽管在电绝缘体中，一些量子自旋液体被预测在电荷中性自旋通道中表现为无能隙的巡游自旋子，进而产生金属行为。实验上，将单个磁性原子沉积在单层1T-TeSe2(一种候选的无能隙自旋液体)上，以探究巡游自旋子如何与杂质自旋中心耦合。使用扫描隧道谱，实验观察到当钴吸附原子被定位在与局域电荷分布具有最大的空间交叠时，1T-TeSe2哈伯德带边出现新的杂质诱导共振峰。当空间重叠减小或磁性杂质被非磁性杂质取代时，这些共振峰就会消失。依据修正的安德森杂质模型，理论模拟结果表明观察到的峰值是由自旋子引起的近藤效应以及由于涌现规范场的波动而产生的自旋电荷结合效应导致的。
(赵亚新)
Evidence for a spinon Kondo effect in cobalt atoms on single-layer 1T-TaSe2
Yi Chen et al.
Nat. Phys. (2022).
范德华界面处NbSe2中的自发自旋-谷极化
在范德华(vdW)界面上的近邻效应使得新奇的量子电子基态的产生成为可能。在这里，我们证明了一个原本超导的二维(2D)NbSe2与2D铁磁体V5Se8范德华界面处产生的具有自发自旋极化的铁磁基态。我们研究了NbSe2/V5Se8范德华磁异质结的反常霍尔效应(AHE)，并发现当V5Se8的层数减薄到单层极限时，AHE的符号会发生反转。更有趣的是，这些样品的AHE信号会在面内磁场的作用下得到增强，这表明除了磁化外，还有其他因素的贡献导致了AHE信号的变化。能带结构的计算很好的再现了这种不寻常的行为，在二维NbSe2中，由面内磁化导致的沿自旋简并的节点线出现的贝里曲率起着重要的作用，揭示了2D非中心对称的量子材料中的磁性和塞曼型自旋轨道相互作用之间的独特相互作用。
(周啸峰)
Spontaneous spin-valley polarization in NbSe2 at a van der Waals interface
Hideki Matsuoka et al
Nat. Commun. 13, 5129 (2022)
激子物理
二维半导体中与激子耦合的相干磁振子
最近发现的二维磁体及其堆叠形成的范德华结构拓宽了二维领域的视野。一个令人兴奋的应用是在自旋电子学和磁振子学中，利用相干磁振子作为节能信息的载体，或作为混合量子体系的互连体。而当二维磁体同时也是半导体时，将会出现一个特殊的机会，例如最近报道的CrSBr和NiPS3，由于带隙和空间限制，它们既具有较大振荡强度的紧束缚激子，又具有长寿命的相干磁振子。尽管磁振子和激子在能量上存在数量级的差异，但它们之间的耦合可以使得自旋信息通过光学手段获取。本文报道了二维A型反铁磁半导体CrSBr中的强磁振子-激子耦合，由能隙激发的相干磁振子可以调制激子能量。时间分辨激子传感表明，磁振子可以相干传播超过7微米，相干时间超过5纳秒。我们在偶数和奇数层中都观测到激子耦合的相干磁振子，呈现出有或没有补偿磁化，直至双层极限。鉴于范德华异质结构的多功能性，这些相干的二维磁振子将是光学相关的自旋电子学、磁振子学和量子互连的基础。
(任雅宁)
Exciton-coupled coherent magnons in a 2D semiconductor
Youn Jue Bae et al.
Nature 609, 282–286 (2022).
MoSe2-WSe2异质结中没有莫尔势区域的局域层间激子
MoSe2-WSe2双层异质结中的层间激子(IXs)作为过渡金属二硫族化合物(TMD)异质结中高度可调谐的光发射器而引起了人们的兴趣。在之前关于在低温下光致发光(PL)发射线中狭窄谱线(<1meV)的报道中，将这一现象归因于局域在两层TMD材料所形成的莫尔势中的IXs。我们表明，即使在TMD层之间插入双层六方氮化硼(hBN)隔离层以抑制莫尔势，也会出现IX的狭窄PL谱线。我们比较了直接接触的和被双层hBN分隔的MoSe2-WSe2区域内IX的掺杂、电场、磁场和温度依赖性。两个区域的狭窄IX谱线对于掺杂、电场和温度依赖性相似，但其激子的g因子的符号相反，说明IX的狭窄PL谱线不是由莫尔势引起的。
(周啸峰)
Localized interlayer excitons in MoSe2–WSe2 heterostructures without a moiré potential
Fateme Mahdikhanysarvejahany et al.
Nat. Commun. 13, 5354 (2022)
其他
无Landauer-Sharvin电阻的流体动力学电子流成像
电阻通常源于晶格缺陷。然而，即使完美晶格也会存在一个基础电阻极限，因为有限数量的电子传播模式会引起Landauer电导。Sharvin表示，这种电阻通常出现在电子器件的接触点上，决定了非相互作用电子的最终传导极限。近年来，越来越多的证据表明流体动力学电子现象，因此理论上提出了电子流体能否突破Landauer-Sharvin极限的问题。本文中，我们利用高迁移率石墨烯Corbino圆盘器件中电子流的单电子晶体管成像来回答这个问题。首先，通过对液氦温度下的弹道流成像，我们观测到了Landauer-Sharvin电阻，它不出现在接触点，而是分布在整个主体部分，这就支持了它的相空间起源——是从传导模式数量的空间梯度中产生的。在高温下，在识别和解释电子-声子散射之后，我们展示了纯流体动力流的细节。令人惊奇的是，电子流体动力学消除了主体部分的Landauer-Sharvin电阻。最后，通过对螺旋磁流体动力Corbino流的成像，给出了流体动力理论预测的关键特征长度——Gurzhi长度。这些结果表明，电子流体可以极大地超越弹道电子的基本限制，这对基础科学和未来技术具有重要意义。
(任雅宁)
Imaging hydrodynamic electrons flowing without Landauer–Sharvin resistance
C. Kumar et al.
Nature 609, 276–281 (2022).