在二維范德瓦耳斯材料中，層間微小轉(zhuǎn)角可形成周期性的莫爾超晶格，重塑能帶結(jié)構(gòu)并孕育平帶超導(dǎo)、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子態(tài)和量子反常霍爾效應(yīng)，催生了“轉(zhuǎn)角電子學(xué)”研究。理論上，二維體系可在時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)下形成具有非平庸Z?拓?fù)洳蛔兞康牧孔幼孕魻枒B(tài)（QSH），其邊界具無耗散自旋手性通道，是拓?fù)淞孔悠骷c容錯(cuò)量子計(jì)算的基礎(chǔ)。盡管InAs/GaSb量子阱和1T’-WTe?中已實(shí)現(xiàn)QSH效應(yīng)，但基于莫爾調(diào)控、保持時(shí)間反演對(duì)稱性的轉(zhuǎn)角體系中實(shí)現(xiàn)QSH絕緣體仍是未解的前沿難題。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF09組長期關(guān)注二維材料異質(zhì)結(jié)生長以及莫爾物性的調(diào)控，比如在二維范德華范德瓦耳斯層狀半導(dǎo)體InSe中發(fā)現(xiàn)隨層數(shù)變化的多階理想二維電子氣（ACS Nano 16,13104 (2022)）。最近，該課題組的陳嵐研究員和馮寶杰研究員進(jìn)一步與浙江大學(xué)的陸赟豪教授合作，通過第一性原理與緊束縛模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，InSe的價(jià)帶頂主要由Se-pz軌道貢獻(xiàn)，這些軌道在層間具有強(qiáng)耦合特性。而在雙層InSe的莫爾超晶格中，AA堆疊區(qū)域的價(jià)帶能量高于AB堆疊區(qū)域，從而構(gòu)成有效的周期勢(shì)阱。該莫爾超晶格可等效描述為一個(gè)類p軌道的三角晶格模型，在自旋軌道耦合作用下，使得價(jià)帶具有Z?拓?fù)湫?，而且莫爾疇界處將出現(xiàn)受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的拓?fù)溥吘墤B(tài)。

實(shí)驗(yàn)上，研究團(tuán)隊(duì)在超高真空條件下生長出扭轉(zhuǎn)角為7.34°的雙層InSe，并在莫爾疇界處利用STS成像清晰觀測(cè)到邊緣電子態(tài)，且其空間分布呈指數(shù)衰減，表明該邊緣態(tài)態(tài)局域于莫爾疇邊界，且其能量位置與理論完全吻合。進(jìn)一步施加外加磁場(chǎng)發(fā)現(xiàn)該邊緣態(tài)會(huì)消失，證實(shí)其受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)，具有拓?fù)浔菊魈卣鳌?/strong>

該研究首次在二維范德瓦耳斯半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)了時(shí)間反演不變拓?fù)鋺B(tài)，并在原子尺度下同過實(shí)空間觀測(cè)證實(shí)，揭示了通過轉(zhuǎn)角調(diào)控莫爾超晶格電子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔討B(tài)的新機(jī)制。研究成果為構(gòu)建基于二維半導(dǎo)體的拓?fù)淦骷ㄈ缈烧{(diào)型拓?fù)鋱?chǎng)效應(yīng)晶體管）提供了重要物理基礎(chǔ)，也為探索層間調(diào)控二維拓?fù)洳牧象w系開辟了新方向，在扭轉(zhuǎn)電子學(xué)中開啟了研究拓?fù)淞孔酉嗟男缕隆?/p>

圖1 轉(zhuǎn)角雙層InSe的拓?fù)溥吘墤B(tài)

相關(guān)工作以“Real-space observation of a time-reversal invariant topological state in twisted bilayer InSe”為題發(fā)表在Nature Communications 16,9453 (2025)。物理所博士生田大鋮，浙江大學(xué)博士生陶圣旦、物理所博士后王宇為文章共同第一作者，物理所SF09組的陳嵐研究員、馮寶杰研究員和浙江大學(xué)的陸赟豪教授為論文通訊作者。該工作的磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)在物理所懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置上完成，并得到了博士生張峻銘和魏忠旭副研究員的幫助。該項(xiàng)研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年科學(xué)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目及中國博士后科學(xué)基金等的資助。

編輯：夜凌Ryelin