二维拓扑绝缘体

德国“维尔茨堡-德累斯顿卓越集群—量子物质复杂性和拓扑结构”(ct.qmat)的科研人员在拓扑绝缘体中制造出了激子，有助于新一代光控电脑芯片和量子技术研究。相关研究已发表在《自然通讯》杂志。 　　科研人员通过短脉冲光作用在单个原子层组成的材料层(铋)，从而产生了激子。激子在拓扑绝缘体中被激活，为拓扑绝缘体研究开辟了全新方向。光与激子的相互作用预示了这种材料能够产生新现象，如量子比特。量子比特是量子芯片的计算单元，使用光而不是电压能够让量子芯片具有更快的时钟速率，为未来量子技术和微电子领域开发新一代光控元件铺平了道路。

量子霍尔效应是凝聚态物理学中的基本现象。科学家发展了拓扑能带理论来研究此类拓扑物态，发现了量子霍尔系统的能带结构和系统的边界态密切相关即存在体相与边缘的对应，并利用陈数（Chern number）来区分不同的拓扑结构，以陈绝缘体来描述相关拓扑物态。陈绝缘体材料可通过第一性原理计算预测以及实验合成并检测，过去几年出现了系列创新性成果，有望发展出具有实用价值的器件。随着量子系统调控技术的发展，研究利用各种人工可控量子系统来模拟陈绝缘体并揭示其性质。超导量子计算系统具有运行稳定、通用性强的优势，将是模拟陈绝缘体的理想平台。近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心，与北京量子信息科学研究院、南开大学、华南理工大学、日本理化学研究所等合作，利用集成有30个量子比特的梯子型量子芯片，实现了具有不同陈数的多种陈绝缘体的模拟，并展示了理论预测的体边对应关系。该团队制备了高质量的具有30比特的量子芯片，在实验中精确控制其量子比特之间的耦合强度，并降低比特间串扰，（图1、2），实现了一维和梯子型比特间耦合的构型。 该团队设计模拟方案，将二维陈绝缘体格点模型的一个维度利用傅里叶变换映射为人工控制相位，从而用一维链状量子比特来实现其模拟（图3）。 基于同样的思想，双层二维陈绝缘体则可以利用两个一维链状平行耦合，形成梯子型比特间耦合的量子芯片实现，而人工维度相位控制还可实现双层陈绝缘体不同的耦合方式。这样便实现了不同陈数的陈绝缘体。该工作通过激发特定量子比特、测量不同本征态能量的方案，直接测量拓扑能带结构（图4）并观测系统拓扑边界态的边界局域的动力学特征，在超导量子模拟平台证实了拓扑能带理论中的体边对应关系（Bulk-edge correspondence）（图5）。此外，利用全部30个量子比特，在超导量子模拟平台上通过模拟双层结构陈绝缘体，实验上首次观察到具有零霍尔电导（零陈数）的特殊拓扑非平庸边缘态（图6）。此外，实验上探测到具有更高陈数的陈绝缘体。该研究通过精确控制超导量子比特系统及读出的技术方案，实现对量子多体系统拓扑物态性质的复现与观测，并表明30比特梯子型耦合超导量子芯片的精确可控性。相关研究成果以Simulating Chern insulators on a superconducting quantum processor为题，发表在《自然-通讯》【Nature Communications 14,5433 (2023)】上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、北京市自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项等的支持。图1. 30比特梯子型量子芯片耦合强度信息。（a）15比特实验中测量到的量子比特间（最近邻和次近邻）的耦合强度信息。（b）30比特实验中测量到的量子比特间（最近邻、次近邻和对角近邻）的耦合强度信息。图2. Z串扰矩阵。Z串扰系数矩阵，每个元素代表着当给横轴比特施加1 arb.units幅度的 Z方波时，纵轴比特感受到的方波幅度，后续将根据该系数矩阵进行Z方波矫正。图3. 30比特梯子型量子芯片以及映射AAH模型的实验波形序列。（a）超导量子处理器示意图，其中30个量子比特构成了梯子型结构。（b）通过在y轴进行傅里叶变换，将二维霍夫施塔特（Hofstadter）模型映射为一系列一维不同配置的 Aubry-André-Harper (AAH) 模型的集合。（c）通过改变合成维度准动量Φ用以合成一系列AAH模型的量子比特频率排布，其中b=1/3。（d、e）用以测量动力学能谱（d）和单粒子量子行走（e）的波形序列。图4. 动力学光谱法测量具有合成维度的二维陈绝缘体的能谱。（a）对应于Q8的随时间演化的数据，其中b=1/3，Δ/2π=12MHz，Φ=2π/3。（b）利用15个量子比特响应函数得到的傅里叶变换振幅的平方。（c）沿着比特维度将傅里叶变换振幅的平方求和。（b）利用15个量子比特参数数值计算求解的二维陈绝缘体的能带结构，其中，b=1/3，Δ/2π=12MHz。（e、f）对于不同的Φ，实验（e）和数值模拟（f）得到的能谱对比。图5. 拓扑边界态的动力学特征以及拓扑电荷泵浦。（a1-3）分别激发Q1（a1）、Q8（a2）、Q15（a3）测量到的激发态概率的时间演化，其中，b=1/3，Δ/2π=12 MHz，Φ=2π/3。（b1-3）分别利用Q1（b1）、Q8（b2）、Q15（b3）作为目标比特测量得到的能谱部分信息。（c1-c3）激发中间比特Q8，测量得到的对应于向前泵浦（c1），不泵浦（c2）和向后泵浦（c3）的激发态概率演化，其中，Δ/2π=36MHz，初始Φ0= 5π/3。（d）根据图（c1-c3）计算得到的质心随着泵浦周期T的变化。图6. 利用全部30个量子比特模拟双层陈绝缘体。（a、b）实验测量的对应于相同Δ↑(↓)/2π=12 MHz（a）和相反 Δ↑/2π=-Δ↓/2π=12MHz（b）周期性调制的两条AAH一维链的构成的双层陈绝缘体的能谱，黑色虚线为对应的理论预测值，其中，b=1/3。霍尔电导定义为对所有被占据能带的陈数Cn的求和：σ= ∑nCn ，其中定义e2/h=1。（c、d）选择Q1,↑和Q1,↓为目标比特测量到的对应于Δ↑(↓)/2π=12 MHz（c）和相反Δ↑/2π=-Δ↓/2π=12 MHz。（d）周期性调制系统的能谱的部分信息。（e-g）当激发边界比特（Q1,↑ 或 Q1,↓），测量到的对应于Δ↑(↓)/2π=0MHz（e），Δ↑(↓)/2π=12 MHz（f）和 Δ↑/2π=-Δ↓/2π=12 MHz（g）的占据概率时间演化。

近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心田明亮课题组利用磁输运方法，在本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4中发现体态轨道磁矩产生的四重对称性的平面霍尔效应。相关研究成果发表在Nano Letters上 。　　当前，拓扑量子材料由于其独特的性能，在未来低功耗量子自旋器件中颇具应用价值，是相关领域的研究热点。在拓扑材料中，贝里曲率和轨道磁矩是两个基本的赝矢量，对材料物性产生重要影响。轨道磁矩在谷电子学和手性磁效应中具有重要作用，而相比贝里曲率研究，关于轨道磁矩相关新奇物性的研究较少。近年来，本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4受到广泛关注。这个体系具有丰富的物性，如量子反常霍尔效应、拓扑轴子态等，并为探讨轨道磁矩和贝里曲率对量子输运现象的影响提供了良好的平台。　　科研人员利用微纳加工技术，制备出基于MnBi2Te4纳米片的Hall-bar器件，通过平面霍尔效应的测量，探究了贝里曲率和轨道磁矩对输运现象的影响。实验发现，在低温下弱磁场（B 10T），平面霍尔效应的周期从π转变成π/2，同时幅值由正变为负。为了阐明π/2周期的物理机制，研究人员进行理论计算。计算结果表明，π/2周期的平面霍尔效应来源于体态Dirac电子的拓扑轨道磁矩，且理论结果与实验结果完全吻合。进一步实验发现，随着温度升高，由于体态和表面态的竞争，平面霍尔效应发生非平庸演化。该研究揭示了轨道磁矩诱导的新颖电磁效应，也为磁性拓扑材料在低功耗自旋电子学中的应用提供了指引。　　研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、强磁场安徽省实验室等的支持。　　论文链接

——量子化输运手性界面通道的建立在两个具有不同陈数的量子反常霍尔（QAH）绝缘体的边界处可以产生一维手性界面通道，这样的QAH异质结可以在零磁场下用作手性边缘电流分配器，这些通道可以对边界电流无耗散传输，但是要真正实现这个目标仍然面临诸多挑战。鉴于此，来自宾夕法尼亚州立大学物理系的常翠祖研究组与来自华盛顿大学的徐晓栋研究组通过采用原位机械掩模，使用分子束外延技术合成了QAH绝缘体一维异质结，并观察到在零磁场下磁畴壁处出现了量子化输运性质，证实了在零磁场下沿着磁畴壁出现两个平行传播的手性界面通道。对于陈数为1和2的异质结，通过定量化输运性质的测量表明，在界面处出现了单个手性界面通道。研究结果以“Creation of chiral interface channels for quantized transport in magnetic topological insulator multilayer heterostructures”为题发表在Nature Communication上。该工作为实现更高效、更稳定的电子传输和信息处理提供了新思路，为基于QAH绝缘体的电子和自旋电子器件以及拓扑手性网络的发展奠定了基础。不同陈数异质结示意图，以及RMCD和电学输运测量结果该项工作中在2.5开尔文的低温环境下对样品进行了高质量的微区RMCD测量，该测量是在超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCool中实现的。OptiCool是Quantum Design公司为高质量的低温光学测量研发的超稳定强磁场低温系统。系统采用全干式设计，无需液氦，全自动软件控制可实现一键变温、一键变场，具有大磁场均匀区、超低振动、大数值孔径、温度稳定性高等诸多优点，已成为高精度低温光学测量的重要设备。目前全球已有数十套OptiCool系统工作在国内外的先进实验室中，并帮助用户取得了高质量的科研成果。低温光学相关产品介绍超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCoolOptiCool是Quantum Design于2018年2月推出的超精准全开放强磁场低温光学研究平台。该平台拥有3.8英寸超大样品腔、8个光学窗口（7个侧面窗口、1个顶部超大窗口）以及高达±7T的磁场。高度集成式的设计让样品在拥有低温磁场的同时摆脱大型低温系统的各种束缚。为满足不同条件下的低温强磁场研究，近期OptiCool又增加了诸多新选件，进一步丰富了OptiCool的功能，可以方便的应用于高压光谱和各种波长的光谱研究。超精准全开放强磁场低温光学研究平台-OptiCoolOptiCool技术特点：&blacksquare 全干式系统：完全无液氦系统，脉管制冷机。&blacksquare 8个光学窗口：7个侧面窗口，1个顶部窗口&blacksquare 超大磁场：±7T&blacksquare 超低震动：New&blacksquare 控制柜电隔离：为确保微弱信号样品的电学测量，避免信号微扰的可能性New&blacksquare 样品移动：可集成低温位移器New&blacksquare 光纤选件：系统可集成光纤通道New&blacksquare 底部窗口选件：可实现样品腔底部窗口，方面进行纵向的透射光学实验New超精细多功能无液氦低温光学系统Montana Instruments推出的新一代超精细多功能无液氦低温光学系统——CryoAdvance，是基于新的模块化设计架构的新一代标准化产品。该系统采用特殊减振技术和温度稳定技术，在不牺牲任何便捷性的同时，为实验提供超高温度稳定性和超低振动环境。CryoAdvance系列产品具有多种型号、配置、选件与配件可选，能够满足每个研究人员的独特需求。Montana超精细多功能无液氦低温光学系统CryoAdvance技术特点：&blacksquare 自动控制：智能触摸屏系统，“一键式操作”，实时显示温度、稳定性、真空度等多种指标。&blacksquare 模块化设计：多种配置可选，快速满足各种实验需求，后续升级简单。&blacksquare 多通道设计：基本配置已包含光学窗口+直流电学+高频电学通道。&blacksquare 稳定性设计：新设计在变温和振动稳定性上进一步优化。&blacksquare 最低温度：3.2K&blacksquare 震动稳定性：&blacksquare 超低振动：＜100nm（峰峰值）&blacksquare 全干式制冷，无需液氦，无需He3气体&blacksquare 磁场选件：样品区域磁场3T&blacksquare 光学孔径：＞20 mm 【参考文献】[1]. Zhao, YF., Zhang. et al. Creation of chiral interface channels for quantized transport in magnetic topological insulator multilayer heterostructures. NatCommun 14, 770 (2023).

电荷化理论能够描述中性玻色子系统的布洛赫能带，它预言二维量子化的四缘体具有带隙、拓扑的一维边缘模式。苏黎世邦理工大学的Sebastian Huber教授课题组巧妙地利用一种机械超材料结构来模拟二维的拓扑缘体，次在实验上观测到了声子四拓扑缘体。这一具有重要意义的结果时间被刊登在nature上。研究人员通过测试一种机械超材料的体、边缘和拐角的物理属性，发现了理论预言的带隙边缘和隙内拐角态。这为实验实现高维度的拓扑超材料奠定了重要基石。 图1：实验装置示意图（图片来源：doi:10.1038/nature25156） 值得指出的是，Sebastian Huber教授利用细金属丝将100片硅片组成一个10cmX10cm的平面，以此来模式二维拓扑缘体（如图1所示）。关键点是，当硅晶片被超声激励时，只有中心点有振动；其他角尽管连接在一起仍然保持静止。这种行为类似于二维拓扑缘体的带隙边缘和隙内拐角态的电子行为。而如何探测硅晶片的微小振动是整个实验成功的关键，Sebastian Huber教授利用德国attocube system AG公司的IDS3010皮米精度激光干涉仪（如图2所示）来测量硅晶片不同位置的微小振动变化，整个测量系统的不确定度达到5pm的精度，测量统计误差达到10pm，后在通过超声激励后测得硅晶片的中心位置的振动位移为11.2pm，通过傅里叶变换之后在73.6KHz（如图3所示）。通过attocube皮米精度激光干涉仪IDS3010成功实现声子四拓扑缘体的次观测。 图2：皮米精度位移测量激光干涉仪IDS3010 图3：测量系统示意图和经过傅里叶频率变换的测量结果（图片来源：doi:10.1038/nature25156）IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪体积小、测量精度高，分辨率高达1 pm，适合集成到工业应用与同步辐射应用中，包括闭环位移反馈系统搭建、振动测量、轴承误差测量等。同时也得到了国内外众多低温、超导、真空等领域科研用户的认可和肯定。

拓扑缘体，顾名思义是缘的，有趣的是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态，这是拓扑缘体的特性质。近期，理论预测存在的拓扑缘体在实验上被证实存在于二维与三维材料中，引起了科研界的大量关注。通常二维电子气体系中存在着量子霍尔效应，实验中观测到了手性边界态存在于材料的边界。在三维体材料的拓扑缘体中实验上可观测到反常量子霍尔效应。K. Yasuda, Y. Tokura等人利用德国attocube公司的低温强磁场磁力显微镜attoMFM在0.5K温度与0.015T磁场环境下，证实了拓扑缘体磁畴壁的手性边界态的可调控性能，不同于之前实验上观测到的拓扑缘体中自然形成随机分布的磁畴中的手性边界态。Y. Tokura等人基于Cr-掺杂 (Bi1-ySby)2Te3制备了拓扑缘体薄膜，基底是InP（如图1C）。图1D为在0.5K低温下使用MFM测量的材料中的磁畴分布，可以清晰看到自然形成的随机分布的大小与形貌不一的磁畴。通过使用MFM磁性探针的针在0.015T的磁场环境下扫描样品区域成功实现了对材料磁畴的调控。图1F为调控后样品的磁畴情况，被探针扫描过的区域，磁畴方向保持一致。图1： A&B 拓扑缘体磁畴调控示意图；C 拓扑缘体材料结构；D attoMFM实验观测自然形成多个磁畴； E&F MFM探针调控磁畴该拓扑缘体磁畴反转的性能随磁场大小变化的结果也被仔细研究。通过缓慢改变磁场，不同磁场下拓扑缘体样品的磁畴方向可清楚地被证实发生了反转（见图2）。通过观察，随机分布气泡状磁畴（0.06T磁场附近）一般的大小在200纳米左右。图2： A 霍尔器件电测量结果；B attoMFM观测不同磁场下拓扑缘体的磁畴情况不仅通过attoMFM直观观测分析磁畴手性边界态调控，电学输运结果也证实手性边界态的调控。图3为在温度0.5K的时候，拓扑缘体电学器件以及相应的电学测量数据。数据表明，霍尔电阻可被调控为是正负h/e2的数值，证实了不同磁畴的手性边界态的调控被实现。作者预见，该实验结果对于低消耗功率自旋电子器件的研究提供了一种可能的途径。图3：拓扑缘体制备器件反常量子霍尔效应结果证实磁畴手性边界态调控图4：拓扑缘体磁畴手性边界态调控相关设备—低温强磁场原子力磁力显微镜 低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM/MFM主要技术特点：-温度范围：mK...300 K-磁场范围：0...12T (取决于磁体)-样品定位范围：5×5×5 mm3-扫描范围: 50×50 μ㎡@300 K, 30×30μ㎡@4 K -商业化探针-可升PFM, ct-AFM, SHPM, CFM等功能 参考文献：“Quantized chiral edge conduction on domain walls of a magnetic topological insulator” K. Yasuda, Y. Tokura et al, Science 358, 1311–1314 (2017) 相关产品及链接：1、低温强磁场原子力/磁力/扫描霍尔显微镜：http://www.instrument.com.cn/netshow/C159542.htm2、低温强磁场无液氦扫描探针显微镜系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/C273802.htm

【科学背景】近年来，尽管量子霍尔效应的线性响应特性得到了广泛研究，但高阶非线性响应仍然是一个未被充分探索的领域。特别是在二维材料如石墨烯中，量子霍尔态的非线性响应尚未被深入研究。量子霍尔态不仅具有绝缘体体和导电手性边缘态的特征，而且在不同的量子霍尔态下，可能会表现出复杂的非线性行为，这些行为对于理解边缘态的电子-电子相互作用具有重要意义。为了解决这一问题，为了解决这一问题，复旦大学何攀, 沈健，日本九州大学Hiroki Isobe，新加坡国立大学Gavin Kok Wai Koon，Junxiong Hu，日本理化研究所新兴物质科学中心Naoto Nagaosa等教授合作发现，在石墨烯的显著量子霍尔态下，存在明确的第三阶霍尔平台。这一平台在广泛的温度、磁场和电流范围内保持稳定，并且在不同几何形状和堆叠配置的石墨烯中均可观察到。第三阶霍尔效应的高度对环境条件不敏感，但与器件特性相关。此外，第三阶非线性响应的极性受磁场方向和载流子类型的影响。作者的研究揭示了量子霍尔态的非线性响应是如何依赖于器件特性的，并提出了一个新的视角来理解边缘态的性质。【科学亮点】（1）实验首次观察到石墨烯中量子霍尔态的第三阶霍尔效应，获得了第三阶霍尔效应的清晰平台。该平台在显著的量子霍尔态（\( \nu = \pm 2 \)）中展现出，且在广泛的温度、磁场和电流范围内保持稳定。（2）实验通过测量不同几何形状和堆叠配置的石墨烯器件，发现第三阶霍尔效应的平坦值与环境条件无关，但与器件特性相关。具体结果包括：&bull 第三阶霍尔效应的电压平台高度与探针电流的立方成正比，而第三阶纵向电压保持为零。&bull 该效应在磁场变化（至约5T）和温度变化（至约60K）下保持稳健。&bull 第三阶非线性响应的极性依赖于磁场方向及载流子类型（电子或空穴），并且其值在反转磁场方向时会改变符号。&bull 非线性霍尔平台的稳健性提供了关于边缘态的新见解，并可能违背量子霍尔电阻的精确量化。【科学图文】图1：在经典和量子域中，线性霍尔效应和非线性霍尔效应示意图。图2：在量子霍尔态quantum Hall states，QHSs内，三阶非线性霍尔平台的观测结果。图3：在量子霍尔态QHSs内，三阶霍尔效应的立方电流依赖性。图4：磁场和温度，对量子霍尔态QHS三阶非线性响应的影。【科学启迪】本文的研究为量子霍尔效应（QHE）中的非线性响应提供了新的视角，揭示了量子霍尔态（QHSs）中第三阶霍尔效应的显著平台。这一发现不仅扩展了作者对量子霍尔现象的理解，也对探索二维材料中的非线性电输运提供了新的途径。首先，实验首次在单层石墨烯中观察到稳定的第三阶霍尔效应平台，表明在量子霍尔态下，电子之间的相互作用可能导致非线性现象的出现。这种非线性响应在不同环境条件（如磁场和温度）下保持稳定，且在多种几何形状和堆叠配置的石墨烯器件中均能观察到。这表明该效应具有较强的普适性和稳健性。其次，研究发现第三阶霍尔效应的电压平台与探针电流立方成正比，而其幅度对环境条件变化表现出较强的稳健性。这一特性挑战了量子霍尔电阻的精确量化，提示作者在量子霍尔态的研究中需要考虑更高阶的非线性效应。这种非线性响应的发现不仅提供了关于边缘态性质的新见解，还可能揭示出与传统线性量子霍尔效应不同的物理机制。此外，本文的研究结果对未来探索量子霍尔系统的高阶响应具有重要启示。其他填充因子的量子霍尔态中的非线性响应，以及在其他量子霍尔系统中的应用，仍需进一步研究。这一发现为理解电子-电子相互作用、边缘态带曲率等物理现象提供了新的方法，也可能为研究分数量子霍尔效应的非线性响应开辟新的方向。原文详情：He, P., Isobe, H., Koon, G.K.W. et al. Third-order nonlinear Hall effect in a quantum Hall system. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01730-1

能实际应用的理想二维Rashba电子气（几乎所有的传导电子占据Rashba带）是应用半导体自旋电子的关键。研究证实，这样带有大Rashba劈裂的理想二维Rashba电子气可以在拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜上实现，该薄膜可在过渡金属硫化物MoTe2基板上按第一性原理计算结果指导生长得到。研究结果显示，Rashba带专处于MoTe2半导体带隙中一个较大的、约0.6? eV费米能级间隔中。如此宽幅的理想二维Rashba电子气具有大的自旋分裂，为实际利用Rashba效应提供了可能，之前从未做到。由于强自旋-轨道耦合，其Rashba分裂强度与重金属（如Au和Bi）表面的差不多，所引起的自旋进动距离小到10 nm左右。近Γ点的内（外）Rashba带平面内自旋极化最大约为70%（60%）。室温下相干距离至少数倍于自旋进动长度，为采用自旋加工设备提供了良好的一致性。这种二维拓扑绝缘体/过渡金属硫化物异质结构中的理想Rashba带，具有能量范围宽、自旋进动长度短、相干距离长的特点，为室温下制造超薄纳米自旋电子器件（如Datta–Das自旋晶体管）铺平了道路。该研究通过计算揭示了纳米自旋电子晶体管在室温下工作的可能性。来自中国台湾清华大学的T. H. Wang和H. T. Jeng通过第一性原理计算，证实了一种理想的二维电子气（半导体自旋电子实现应用的关键）可在硒化铋超薄膜绝缘体中实现，该超薄膜用半导体MoTe2作衬底、在室温下生长即可制备。超薄器件中形成的二维电子气表现出大的“自旋分裂”（两种状态的电子自旋间的分离），这正是晶体管之类的设备所需要的特性。采用电子自旋的电子器件来处理信息，用的是电子固有的自旋特性，而不象目前常规电子器件那样用的是电子的电荷特性。这会使设备在更小的空间内存储更多的数据，消耗更少的电能，使用更便宜的材料。据巨纳集团低维材料在线91cailiao.cn的技术工程师Ronnie介绍，异质结构是现在的研究热点,Bi2Se3/MoTe2异质结构,使得一种理想的二维电子气（半导体自旋电子实现应用的关键）可在硒化铋超薄膜绝缘体中实现，该超薄膜用半导体MoTe2作衬底,在室温下生长即可制备。

近期，中科院合肥研究院固体所计算物理与量子材料研究部与广东大湾区空天信息研究院、中科院合肥研究院强磁场中心等团队合作，研究了高压下拓扑绝缘体 Sb2Te3 的电子和声子动力学，探索了压力对该材料电声耦合强度、相干声子以及热声子瓶颈等的影响。 相关结果发表在 Physical Review B 上，固体所博士后张凯为论文第一作者，苏付海研究员为通讯作者。超快光谱可以飞秒时间分辨率记录激发态演化过程，进而获得热电子冷却、电声子耦合、相干声子激发等动力学信息；金刚石对顶砧高压技术可连续调控材料的晶格和电子结构，实现不同量子态的抑制或诱导。超快光谱和金刚石对顶砧相结合，对于探寻和理解高压下电子拓扑相变、金属-绝缘体转变等重要物理现象和机制具有重要意义。近年来，固体所计算物理与量子材料研究部研究人员已研制出基于飞秒激光的近红外至太赫兹波段高压超快光谱系统，并利用该技术在石墨烯、砷化镓等材料的热电子动力学压力调控方面取得了一定进展 (Appl. Phys. Lett. 117, 101105 (2020)；Phys. Rev. Lett. 126, 027402 (2021)；Optics Express, 29, 14058 (2021))。在此基础之上，研究团队以经典拓扑绝缘体Sb2Te3为研究对象，着重探究电子拓扑转变过程中的超快动力学效应。借助高压下飞秒泵浦-探测光谱，测量了不同压力下瞬态反射光谱，获得了Sb2Te3的热电子弛豫时间、相干声学声子寿命等参数和压力的关系，并观察到伴随电子拓扑转变的热声子瓶颈压制效应（图1）。结合理论计算，发现其电子能态密度在电子拓扑转变之上迅速增大，从而为热电子和热声子提供更多的弛豫通道，有效提高电声耦合强度，减弱热声子瓶颈效应。由于超快光谱可探测偏离费米面或能带极值点的高能载流子弛豫过程，反映电子和声子结构的色散细节以及高频光学声子相关的电声子耦合，因而高压超快光谱能够清晰直观地表征材料的电子拓扑及晶体结构转变（图2）。该研究首次揭示了高压下Sb2Te3材料在电子拓扑转变及晶格结构相变过程中的非平衡态电子和声子动力学，深化了对该体系材料中电声子相互作用的理解，为高压下拓扑相变探测开辟了新途径。该工作得到了国家青年基金项目、面上项目和基金委国家重大科研仪器研制项目等的支持。文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.195109。 图1. 不同压力下的Sb2Te3的飞秒泵浦-探测反射光谱以及相干声子寿命、快时间、热声子瓶颈效应随压力的变化趋势图2. 不同压力下Sb2Te3的飞秒泵浦-探测反射光谱。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所光芯片集成研发中心王俊研究员团队在基于机器学习算法实现二维材料层数识别和物性检测方面取得进展，相关综述论文以“Thickness Determination of Ultrathin 2D Materials Empowered by Machine Learning Algorithms”为题发表于Laser & Photonics Reviews，并被编辑推荐为当期正封面文章。 　　自从发现石墨烯以来，大量新型二维层状材料逐渐被发现和制备，目前已成为涵盖绝缘体、拓扑绝缘体、半导体、半金属到超导体的庞大家族。通常，二维材料的层数对于调节纳米电子和光电器件的性能具有重要意义，在实现进一步的物理研究或器件制造之前，往往需要确定目标样品的最佳厚度。目前，通过光学技术获得光学图像或光谱信息后，后续的数据处理往往依赖研究人员的专业知识，并且受个人经验和主观因素影响较大。 　　近年来，人工智能改变了现代社会的诸多方面，作为其最重要的一个子领域，机器学习通过收集和分析数据以预测复杂系统的行为并建立解决问题的模型，为物理、化学、材料科学等传统研究领域带来了新的发展机遇和解决方案。例如光学图像作为实验室中最容易获取的数据集，是解决图层识别高通量和实时性要求的最简单方法，机器学习算法可以提取图像中的基本特征并建立决策模型，同时较好地适用于不同的光学系统，以满足不同用户对自动光学识别和表征的要求。除了光学图像，机器学习算法还可以准确高效地分析光谱数据，这不仅可以利用光谱特征信息快速得到所需的样品厚度，还可以从材料本秉特性出发，有效解决不同实验平台间测试数据误差带来的不利影响。更为重要的是，这些机器学习算法赋能的光学解决方案显著促进了建立从数据出发的统一、快速、低成本、无损的测量方法和标准，进而有力推动了二维材料的工业级应用落地。 　　该综述系统总结了传统光学技术与机器学习算法深度融合面临的发展机遇与难题，提出检测对象的多样性、物理性质的差异性、测试环境的不稳定性、光学技术的易干扰性和相关算法的准确性对跨实验室标准制定带来的潜在风险与挑战。机器学习算法将对二维材料厚度测定的传统研究方法带来深刻的变化，将人工劳动从现有的繁琐材料表征过程中逐渐解放出来，有助于推动研究的快速发展并逐步走向实际应用。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员王俊团队在基于机器学习算法实现二维材料层数识别和物性检测方面取得进展，相关文章以Thickness Determination of Ultrathin 2D Materials Empowered by Machine Learning Algorithms为题发表于《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）。自从发现石墨烯以来，大量新型二维层状材料逐渐被发现和制备，目前已成为涵盖绝缘体、拓扑绝缘体、半导体、半金属到超导体的庞大家族。通常，二维材料的层数对于调节纳米电子和光电器件的性能具有重要意义，在实现进一步的物理研究或器件制造之前，往往需要确定目标样品的最佳厚度。目前，通过光学技术获得光学图像或光谱信息后，后续的数据处理往往依赖研究人员的专业知识，并且受个人经验和主观因素影响较大。近年来，人工智能改变了现代社会的诸多方面，作为其最重要的子领域，机器学习通过收集和分析数据以预测复杂系统的行为并建立解决问题的模型，为物理、化学、材料科学等传统研究领域带来了新的发展机遇和解决方案。例如光学图像作为实验室中最容易获取的数据集，是解决图层识别高通量和实时性要求的简单方法，机器学习算法可以提取图像中的基本特征并建立决策模型，同时较好地适用于不同的光学系统，以满足不同用户对自动光学识别和表征的要求。除了光学图像，机器学习算法还可以准确高效地分析光谱数据，这不仅可以利用光谱特征信息快速得到所需的样品厚度，还可以从材料本秉特性出发，有效解决不同实验平台间测试数据误差带来的不利影响。更为重要的是，这些机器学习算法赋能的光学解决方案显著促进了建立从数据出发的统一、快速、低成本、无损的测量方法和标准，进而有力推动了二维材料的工业级应用落地。该文章系统总结了传统光学技术与机器学习算法深度融合面临的发展机遇与难题，提出检测对象的多样性、物理性质的差异性、测试环境的不稳定性、光学技术的易干扰性和相关算法的准确性对跨实验室标准制定带来的潜在风险与挑战。机器学习算法将对二维材料厚度测定的传统研究方法带来深刻变化，将人工劳动从现有的繁琐材料表征过程中逐渐解放出来，有助于推动研究的快速发展，逐步走向实际应用。

关键词：量子相变 锁相放大器 超导超流态 说明：本篇文章使用赛恩科学仪器OE1022锁相放大器测量【概述】 2022年，南京大学王肖沐教授和施毅教授团队在nature communications发表了一篇题为《Quantum criticality of excitonic Mott metal-insulator transitions in black phosphorus》文章，报道了黑磷中激子Mott金属-绝缘体转变的光谱学和传输现象。通过光激发来不断调控电子-空穴对的相互作用，并利用傅里叶变换光电流谱学作为探针，测量了在不同温度和电子-空穴对密度参数空间下的电子-空穴态的综合相图。 【样品 & 测试】 文章使用锁相放大器OE1022对材料的传输特性进行测量，研究中使用了带有双栅结构(TG,BG)的BP器件，如图1(a)所示，约10纳米厚的BP薄膜被封装在两片六角形硼氮化物（hBN）薄片之间，为了保持整个结构的平整度，使用了少层石墨烯薄片来形成源极、漏极和顶栅接触，以便在传输特性测量中施加恒定的电位移场。图一 (a)典型双栅BP晶体管的示意图。顶栅电压（VTG）和底栅电压（VBG）被施加用于控制样品（DBP）中的载流子密度和电位移场。(b) 干涉仪设置的示意图，其中M1，M2和BS分别代表可移动镜子，静止镜子和分束器。 在实验中，迈克耳孙干涉仪的光程被固定在零。直流光电流直接通过半导体分析仪（PDA FSpro）读取。光电导则采用标准的低频锁相方案测量，即通过Keithley 6221源施加带有直流偏置的11Hz微弱交流激励电压（1毫伏）至样品，然后通过锁相放大器（SSI OE1022）测量对应流经样品的电流。图二(a)在不同激发功率下，综合光电流随温度的变化。100% P = 160 W/cm² 。(b) 在每个激发功率下归一化到最大值的光电流。(c)从传输特性测量中提取的与温度T相关的电阻率指数为函数的相图，作为T和电子-空穴对密度的函数。(d)不同电子-空穴对密度在过渡边界附近的电阻率与温度的关系 【总结】 该文设计了一种带有双栅结构的BP器件，通过测量器件的傅里叶光电流谱和传输特性，观测到从具有明显激子跃迁的光学绝缘体到具有宽吸收带和粒子数反转的金属电子-空穴等离子体相的转变，并且还观察到在Mott相变边界附近，电阻率随温度呈线性关系的奇特金属行为。文章的结果为研究半导体中的强相关物理提供了理想平台，例如研究超导与激子凝聚之间的交叉现象。【文献】 ✽ Binjie Zheng,Yi Shi & Xiaomu Wang et al. " Quantum criticality of excitonic Mott metal-insulator transitions in black phosphorus." nature communications (2022) 【推荐产品】

从数学到化学、生物学，再到凝聚态物理、光学，与拓扑相关的现象俯拾皆是。拓扑的概念拓展到光学，形成了拓扑光子学这一新兴研究领域，近几年不断开拓，蓬勃发展。最近，高阶拓扑绝缘体(HOTI）由于其打破了传统的体边对应关系，在光学和光子学领域也引发了研究热潮，有望为开发新一代半导体激光等光学器件带来新思路。然而，目前所有关于高阶拓扑的实验研究都局限在低轨道（s轨道）能带的体系中。轨道自由度在研究凝聚态体系的基本性质以及新奇物态（包括轨道超流和拓扑半金属）等方面都发挥关键作用，引入轨道自由度可以引发和揭示许多新颖的物理现象。由于真实材料中电子的轨道自由度难以操控，很多研究都基于人工材料体系，比如光子晶体和超冷原子。那么，是否能利用人工合成的光学平台来实现源于高轨道能带的高阶拓扑绝缘体呢？近日，南开大学物理学院、泰达应用物理研究院陈志刚、许京军教授领导的课题组与克罗地亚萨格勒布大学教授Hrvoje Buljan课题组合作, 在我国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《光：快讯》（eLight）上发表了在拓扑光子学领域实现新型高阶光子拓扑绝缘体的最新科研成果。基于光子晶格平台，在具有特殊对称性的笼目（Kagome）晶格中，研究人员首次在实验上观测到p轨道高阶拓扑角态以及非线性诱导的角态旋转，并且在理论上提出了利用广义缠绕数来刻画体系的拓扑非平庸性质，创新发现了p轨道拓扑角态的鲁棒性除了需要传统的广义手性对称性保护，还需要p轨道系统中独有的轨道耦合对称性。该工作展示了高阶拓扑与轨道物理的有机结合，以及非线性对高阶轨道角态的动态调控，为探索具有轨道自由度的拓扑体系提供了新的研究平台，同时也为研发拓扑涡旋波导和拓扑激光器等光学器件铺垫了基础。研究成果以“Realization of photonic p?orbital higher?order topological insulators”为题在线发表。本工作以南开大学为第一完成单位，共同第一作者包括南开大学硕士研究生张亚辉、外籍博士后Domenico Bongiovanni，博士生王孜腾和王向东，后两位曾获国家级创新训练项目资助，在南开大学本科期间就参与该课题组研究。合作者还包括物理学院博士后夏士齐、博士生胡志婵、教授宋道红，以及加拿大国立科学研究院教授Roberto Morandotti等。相关工作得到了南开大学牵头的科技部重点研发计划项目和国家自然科学基金委重点项目的资助。据悉，《光：快讯》（eLight）是国际顶尖光学期刊，我国科技期刊卓越计划领军期刊《Light: Science & Applications》（IF=20.257）的姐妹刊，由《Light》原班编辑团队打造，仅发表光学交叉领域最顶尖、最具重磅影响力的科研工作。此前，南开大学讲席教授陈志刚和以色列理工学院Segev教授为该期刊创刊号撰写的展望综述“Highlighting Photonics: Looking into the next decade”自2021年6月发表以来，已被下载1.4万次，引用130多次, 曾获《光：快讯》（eLight）2022年度最佳下载/引用论文奖。

德国尤利希研究中心领导的一个国际研究团队在最新一期《自然通讯》杂志上撰文指出，他们首次证明了在二维材料中存在一种奇异的电子态——费米弧，这为新型量子材料及其在新一代自旋电子学和量子计算中的潜在应用奠定了基础。　　研究人员解释说，他们检测到的费米弧是费米面的一种特殊形式。费米面在凝聚态物理中用于描述金属内电子的动量分布。通常这些费米曲面代表闭合曲面，而费米弧等例外情况非常罕见，通常与超导性、负磁电阻以及异常量子传输效应等奇异性质有关。　　科学家们目前面临的技术挑战是“按需”控制材料的物理特性，但这种实验测试在很大程度上仅限于大块材料，针对纤薄的拓扑二维（2D）材料开展相关研究是凝聚态科学领域的重大挑战。　　由于电子和晶体结构的相互作用，拓扑材料具有特殊的性质，而且免受干扰的影响。另一方面，二维材料是仅由一层原子或分子组成的材料，其中大名鼎鼎的二维材料是石墨烯，其由单层碳原子组成。由于其拥有不同寻常的特性，科学家们目前正在对其开展深入研究。　　最新研究使用的材料是二维铁原子层。与石墨烯相比，这些二维混合磁体也有其独特的特性，如它可以为设备内的手性异常找到潜在的用武之地；也有望为强关联拓扑材料开辟新的研究领域。　　研究人员在位于意大利的Elettra同步辐射实验室进行了实验，发现了材料内新奇的电子效应——费米弧。这一发现表明，科学家们可以通过外部磁场对低维系统中的拓扑状态进行量子控制，未来可以利用外部磁场让二维材料在人工智能和信息处理领域“大显身手”。

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我国半导体/绝缘高分子复合材料研究取得重大突破 　　日前，中科院长春应用化学研究所杨小牛研究员课题组在半导体/绝缘体高分子复合材料研究取得重大突破，其研究结果被国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)以“封面论文”的形式给予重点报道。 　　在传统观念中，绝缘体会阻碍电荷传输，因此一般来讲，在半导体/绝缘体复合材料中，绝缘相往往扮演着降低材料电学性能的角色。然而近年来研究人员发现，在特定外场条件下，复合材料二维表面处的载流子迁移率并不差。杨小牛课题组首次在体相半导体/绝缘高分子复合材料中发现并确认了绝缘基质增强的半导体电荷传输现象，随后将这一规律推广到无特定外场条件下的三维体系，并用更具普适性的物理量—电导率来论证了这一点。 　　通过控制聚噻吩/绝缘聚合物共混物制备过程中结晶和相分离的竞争关系，可抑制大尺度的两相分离，由此得到均匀的半导体/绝缘体复合材料。这种材料表现出绝缘基质增强的半导体电荷传输现象。研究人员认为，载流子以极化子形式在复合材料中进行传导。由于绝缘基质极化率较低，极化子在半导体/绝缘体界面处传输时受到周围极化环境的影响较小，有助于降低界面处的电荷传输活化能，由此提高了两相界面处的载流子迁移率。从此意义上讲，对于两相共混体系，增强的体相电荷传输性质需要满足下列3个条件：首先，鉴于电荷主要在共混两相界面传输，绝缘聚合物的介电常数必须足够低才可能降低电荷传输活化能，从而有效提高半导体相的载流子迁移率 其次，半导体/绝缘体两相相分离尺度需要足够小，才能大幅提高两相接触界面 第三，要求半导体相要有较好的连续性，有利于减小电荷传输的阻力。 　　在半导体聚合物中通过共混引入通用绝缘聚合物，不仅可以提高其电学性能，而且可降低基于塑料的柔性电子器件的成本，提高其柔韧性和环境稳定性。

p style=" text-align: left text-indent: 2em " 记者从中国科学院物理研究所获悉，该所一组科研团队开发出一种快速计算晶体材料的拓扑性质的新方法，并用此方法在近4万种材料中发现了8千余种拓扑材料，十几倍于过去十几年间人们找到的拓扑材料的总和，并据此建立了拓扑电子材料的在线数据库。成果于北京时间28日由国际权威学术期刊《自然》在线发表。 /p p style=" text-align: left text-indent: 0em " 　　这一成果意义重大。它改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式，将该方向的重点从“寻找新材料”推进到“研究新材料”。 /p p style=" text-align: left text-indent: 0em " 　　拓扑量子材料被认为将在超低功耗电子元件的研究和量子信息等领域起到重要基础作用。因此，如何寻找更多的新拓扑材料也因此成为了国际凝聚态物理领域的重要问题。此前，物理所已进行了一系列探索，并在拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应、外尔半金属等方面做出了重要贡献。 /p p style=" text-align: left text-indent: 0em " 　　团队的通讯作者之一、中科院物理所的方辰研究员介绍，在实验中直接测量拓扑性质是困难的，因此首先用计算的方法预测材料的拓扑性质，就成为了寻找拓扑材料的重要的一环。然而，在过去的研究中，由于不变量的表达式十分繁难，这一计算往往需要深耕于该领域的专家耗费大量时间精力才能完成。“手动搜索”的局限性，使得人们难以预测绝大部分材料的拓扑性质。 /p p style=" text-align: left text-indent: 0em " 　　物理所团队开发出了通过计算材料能带的对称性数据从而自动获得其拓扑不变量的一套完整的、快速的、可以全自动运行的计算流程。在经过该流程之后，任何一种非磁性晶体材料都将获得一个“拓扑标签”，写着它是否具有，以及具有哪些拓扑性质。 /p p style=" text-align: left text-indent: 0em " 　　大批拓扑量子材料在理论上的发现，改变了拓扑量子材料这一研究方向的研究范式，并给未来的实验研究提供了很多线索和机会。 /p p style=" text-align: left text-indent: 0em " 　　物理所成果由该所方辰研究员、翁红明研究员、方忠研究员等人与中国科学院计算机网络信息中心联合完成。 /p p style=" text-align: left text-indent: 0em " 　　所谓“英雄所见略同”，另有两个研究小组，也于同一天同一刊物上发表了他们的独立研究成果。其中一个小组是来自美国的普林斯顿大学、西班牙巴斯克大学和德国马克斯-普朗克研究所的科学家，另一小组是来自南京大学和美国哈佛大学的科学家。他们两个小组的工作内容，同样是通过计算能带高对称点的对称性数据从而得到材料的拓扑性质，方法和物理所研究小组采用的方法一致，三个研究组得到的结果也彼此相洽、相互印证。 /p

【科学背景】极大磁阻（XMR）是自旋电子设备中的重要现象，具有广泛的应用前景，如磁传感器、磁性存储器和硬盘驱动器等。近年来，XMR 的研究成为了材料科学的热点，特别是在 Weyl 半金属中，这些材料以其完美的电子-空穴对称性和极高的电导率而著称。然而，这些半金属在实际应用中仍面临挑战，例如样品质量和稳定性问题，这限制了 XMR 现象的进一步探索和应用。鉴于此，科学家们转向了新兴的二维材料系统，如石墨烯摩尔超晶格，作为研究 XMR 的新平台。在这种背景下，上海科技大学刘健鹏课题组、王竹君课题组、李军教授等研究者们开发了三维交织的扭曲石墨烯螺旋（TGS）系统，并对其电子性质进行了深入探讨。通过操控螺旋位错轴以实现 7.3° 的旋转角度，研究人员观察到了在 14 T 磁场下和 2 K 温度下，TGS 结构的磁阻达到 1.7 × 107%，并伴随着金属-绝缘体转变。这一转变在磁场超过约 0.1 T 时变得明显，表明在 3D TGS 系统的部分填充三维朗道能级中存在复杂的关联态。这些研究结果不仅为 XMR 提供了新的实现平台，也推动了对二维层状摩尔系统中拓扑结构的工程化探索。【科学亮点】（1）实验首次探讨了三维交织扭曲石墨烯螺旋 (TGS) 系统中的极大磁阻 (XMR) 现象。研究发现，在14 T 磁场和2 K 温度下，这些结构的磁阻达到了创纪录的 1.7 × 107%。这一发现主要得益于TGS系统中的拓扑结构和高质量晶体形成。（2）实验通过对三维TGS系统的量子振荡测量，识别出两个不同的频率，分别对应于4.67 T的电子区域和6.67 T的空穴区域，这些结果与霍尔效应测量结果一致。这表明该系统中存在复杂的电子-空穴补偿效应，可能是由于层间距变化和远程带重整化效应导致的粒子-空穴对称性扰动。（3）在施加外部磁场时，观察到从金属到类似绝缘体的显著转变。该转变的临界温度 T* 在 3 T 以上的磁场中稳定在约 26.9 K，表明3D零级朗道能级的填充开始。这种现象可能与电子之间的关联效应有关。（4）实验还发现，随着温度升高，磁阻的显著增加（1.7 × 107%）与金属-绝缘体转变密切相关。这种增加与类似于魔角扭曲双层石墨烯中观察到的同旋 Pomeranchuck 效应相似。我们的结果为通过工程化二维层状摩尔系统的拓扑结构实现 XMR 提供了新的可能性。【科学图文】图1：在施加 7 T 磁场下的各种半金属中的 XMR。图2：扭曲石墨烯螺旋的结构分析。图3：量子振荡。图 4：扭曲石墨烯螺旋中的异常金属-绝缘体转变。【科学结论】本文通过在三维扭曲石墨烯螺旋（TGS）系统中首次观察到的极大磁阻（1.7 × 107%），展示了摩尔系统中独特的电子行为和其对磁场响应的潜力。这一发现表明，通过精细调控材料的拓扑结构和高质量晶体形成，可以在二维层状摩尔系统中实现前所未有的磁阻效应。这为材料科学界提供了新的思路，展示了如何利用结构设计和电子调控来探索和利用新的物理现象。其次，实验中识别出的两个不同频率的量子振荡和与之相关的金属-绝缘体转变，揭示了在三维朗道能级中可能存在的复杂关联态。这不仅挑战了传统的磁阻理论，还提示我们需要重新审视和扩展对材料中电子行为的理论框架。特别是在磁场作用下，材料的电子态可以发生显著的变化，这对设计具有特殊磁电性质的材料和器件具有指导意义。文献详情：Zhang, Y., Xie, B., Yang, Y. et al. Extremely large magnetoresistance in twisted intertwined graphene spirals. Nat Commun 15, 6120 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50456-0

极化子是半导体或绝缘体中的一种基本物理现象，是由材料体内的额外电荷(电子或空穴)在电声耦合作用下被束缚在局域晶格畸变处而构成的复合准粒子，对材料的输运特性、表面催化、磁性甚至超导性表现出重要影响。在原子尺度下对极化子的表征和操纵有助于了解极化子的基本物理机制，乃至材料的基本物理特性。然而，自极化子概念提出以来，研究发现具有极化子的材料体系中，额外电荷往往来自于晶格缺陷如空位、掺杂或吸附原子等，因而极化子在实空间中被束缚在缺陷附近，若要实现对极化子的人工操纵就需要克服晶格缺陷的影响，这阻碍了对极化子本征特性的观测和操控。 　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面国家重点实验室SF09组研究员吴克辉和陈岚长期关注表面低维体系的生长制备和新奇物性表征及操控，特别是在单原子和分子尺度下对表面局域结构特征(表面缺陷或吸附分子等)操纵方向。近日，该团队与中国科学技术大学教授赵瑾课题组合作，在二维半导体中本征极化子表征与操纵方面取得了突破，基于扫描隧道显微镜(STM)技术直接在二维材料的完整晶格中实现了高度可逆的单个本征极化子操纵。 　　物理所利用分子束外延技术在高定向热解石墨(HOPG)表面制备获得了高质量大面积的单层二维半导体薄膜CoCl2。利用STM针尖的隧穿电子注入原理，研究在完整的原子晶格任意位点处构造出与晶格缺陷无关的两种本征极化子，并实现对单个极化子的可逆写入、擦除、转换和横向迁移等一系列操纵过程。中国科大从第一性原理计算出发进一步在能量上佐证了该体系中两种不同空间构型的本征极化子稳定性，并证实了及其转变和迁移过程的可行性。 　　该工作首次在二维材料体系中发现了与晶体缺陷无关的本征极化子，解释了其形成机制，并实现了对单个本征极化子的原子尺度操纵。该体系为本征极化子的特性研究提供了极佳的平台，更在微纳信息存储领域表现出潜在的应用价值。相关研究成果发表在《自然-通讯》【Nature Communications 14, 3690 (2023)】。研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会和中国科学院的支持。

来自美国麻省理工学院（MIT）的科研人员在最新一期《科学》杂志上撰文指出，他们首次直接探测到二维材料内电子之间的强关联作用，而且测量出了这种排斥力的大小。最新研究有望帮助科学家设计出奇异的功能材料，比如非常规超导体等。近年来，物理学家发现，包括“魔角”石墨烯等在内的一些二维材料可以根据施加的电压改变电子状态，从金属“变身”为绝缘体甚至超导体。尽管促使这种材料“变身”的潜在物理机制仍是未解之谜，但物理学家们怀疑与“电子关联”——两个带负电荷电子之间的相互作用有关。这种排斥力对大多数材料的性质几乎没有影响，但可能是影响二维材料性质的主要原因。了解电子关联如何改变电子状态，可以帮助科学家设计出奇异的功能材料（如非常规超导体）。现在研究人员首次揭示了一种名为ABC三层石墨烯的二维材料内电子关联的直接证据，最新研究主要作者、MIT助理教授鞠龙（音译）说：“更好地理解超导性背后的物理学，将使我们设计出能改变世界的设备，从零损耗能量传输到磁悬浮列车等。”墨烯类似于研究更深入的魔角双层石墨烯（由六边形排列的碳原子晶格制成）。在最新研究中，鞠龙团队首先合成了ABC三层石墨烯样品，创造出带有能阱的超晶格，随后使用自己开发的独特光学技术确认这种材料确实拥有一个“平带”结构——其间所有电子的能量几乎相同，他们认为正是这一结构影响了材料的性质。然后他们稍微调低电压，使晶格中每个阱中只有一个电子。在这种“半填充”状态下，材料被视为莫特绝缘体（一种奇特的物质状态），材料应该能像金属一样导电，但表现为绝缘体。在此过程中，他们首次直接检测到这种特定莫特超晶格材料中的电子关联，并测量其强度约为20毫电子伏。结果表明，强电子关联是这种特殊二维材料的物理基础。

【科学背景】莫尔材料是通过旋转或晶格错位设计的高度可调的强关联二维材料，因其在拓扑和电子关联效应方面的独特特性成为了研究热点。然而，其存在的主要挑战在于理解和控制这些材料中出现的复杂电子相行为。莫尔材料中的平坦能带结构极大地增强了库仑相互作用，导致一系列集体电子相的产生，包括相关绝缘体、非常规超导体和拓扑相。这些相的微观机制复杂多样，且往往对环境参数（如温度、外磁场和电场）非常敏感，使得实验研究和理论建模都面临巨大挑战。有鉴于此，美国普林斯顿大学Kevin P. Nuckolls & Ali Yazdani教授两人在“Nature Reviews Materials”期刊上发表了题为“A microscopic perspective on moiré materials”的研究论文。科学家们提出了多种局部探测技术以深入研究莫尔材料中的电子相行为。例如，局部光谱学、热力学和电磁探测技术被广泛应用于探测这些材料中的电子态和相变。具体而言，扫描隧道显微镜（STM）和扫描透射电镜（STEM）等局部探测工具能够直接观察到莫尔材料中的局部电子态和结构变化。这些技术帮助科学家揭示了莫尔材料中相关绝缘体、广义Wigner晶体、非常规超导体、莫尔铁电体和拓扑轨道铁磁体等多种电子相的形成机制。通过这些研究，科学家们不仅识别了莫尔材料中的基本物理机制，还发现了一些通过传统全局探测手段无法观察到的脆弱量子相。此外，新开发的局部电荷传感和量子干涉探针技术进一步揭示了莫尔材料中的新物理可观测量。【科学亮点】1. 实验首次通过旋转或晶格失配设计出莫尔材料，产生了高度可调的二维材料平台。&bull 莫尔材料通过相同二维原子晶体的旋转错位或不同二维原子晶体的晶格失配设计而成。&bull 这些材料形成了长波长的干涉图案，导致平坦的电子能带，非常有利于相关的集体物质相的形成。2. 实验揭示了莫尔材料中的电子关联效应和拓扑保护特性。&bull 莫尔材料中，电子之间的库仑相互作用主导系统的动力学，使得相关相得以形成。&bull 这些材料的低能带结构由与六方原子晶格相关的狄拉克物理描述，具有内在的自旋-轨道耦合，有利于拓扑特性。3. 实验通过局部光谱学、热力学和电磁探测技术，发现了多种奇异的电子相态。&bull 这些技术揭示了相关绝缘体、广义Wigner晶体、非常规超导体、莫尔铁电体和拓扑轨道铁磁体等奇异相的基本机制。&bull 局部探针技术，如局部电荷传感和量子干涉探针，揭示了新的物理可观测量，发现了脆弱的量子相态。4. 实验展示了旋转错位和晶格失配设计的多样性及其产生的丰富物理现象。&bull 旋转错位设计涵盖了多种莫尔同质双层和多层结构，包括扭曲单层、双层、三层、四层和五层石墨烯，以及扭曲的过渡金属二硫化物（如WSe2、WS2、WTe2和MoTe2）。&bull 晶格失配设计涵盖了对准的异质双层TMDs（如WSe2/WS2和MoTe2/WSe2）和对准的石墨烯/六方氮化硼（hBN）异质结构。【科学图文】图1：莫尔材料的相图。图2. 在双层魔角石墨烯中，电子跃迁的平坦电子带和级联。图3. 在莫尔石墨烯中的相关绝缘体。图 4：在莫尔过渡金属二硫属元素化物中，相关绝缘体的成像。图5：在莫尔石墨烯中，相关驱动拓扑相的局部传感。图6: 成像轨道铁磁性和莫尔铁电性。图7: 在莫尔石墨烯中，非常规超导电性的光谱探针。【科学结论】本文展示了莫尔材料作为一种新兴材料类别在量子材料领域中的引人注目的研究前景。通过对莫尔材料的局部探测和研究，揭示了其复杂的电子相态和奇异性质，为我们理解强关联量子系统提供了独特的视角。特别是，莫尔材料展现了拓扑和关联效应的独特结合，产生了许多未曾在自然界其他材料中观察到的新奇电子相。本文呼吁进一步发展新的局部探针技术，以解决现有技术的局限性，促进对莫尔材料的更深入理解。同时，强调了继续在莫尔材料中寻找和理解未实现的奇异量子相的重要性，特别是对零磁场下稳定的分数Chern绝缘体（FCIs）的研究。这将推动我们对莫尔材料及其潜在应用的全面认识，为未来量子材料研究和技术应用开辟新的可能性。原文详情：Nuckolls, K.P., Yazdani, A. A microscopic perspective on moiré materials. Nat Rev Mater (2024). https://doi.org/10.1038/s41578-024-00682-1

二维层状半导体材料得益于原子级薄的厚度，受到静电场屏蔽效应减弱，利用门电压可对其电学性能进行有效调控。利用二维层状半导体材料构建的多端忆阻晶体管(Memtransistor)可以模拟人脑中复杂的突触活动，有望应用于未来非冯架构的神经形态计算等。此外，相比于平面构型，二维纳米功能材料通常具有开放且洁净的界面，使其能够进行任意垂直组装，可实现硅基半导体工艺所不能兼容的多层向上集成范式，从而在单位面积内沿z轴获得更高密度集成。因此，基于垂直架构的二维纳米电子学器件，已成为当前延续摩尔定律的重要研究方向之一。迄今为止，针对铁电二维材料忆阻晶体管的研究仍然匮乏，尤其缺失具有垂直构型的门电压可调的忆阻器件的研究，主要原因在于传统基于隧穿架构的二维忆阻器难以在垂直方向兼具更高性能和有效栅极调控特性。 　　近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心与国内多家单位合作，设计二维半导体与二维铁电材料的特殊能带对齐方式，将金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)与非隧穿型的铁电忆阻器垂直组装，首次构筑了基于垂直架构的门电压可编程的二维铁电存储器。11月17日，相关研究成果以A gate programmable van der Waals metal-ferroelectric-semiconductor vertical heterojunction memory为题，在线发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。 　　科研团队使用二维层状材料CuInP2S6作为铁电绝缘体层，利用二维层状半导体材料MoS2和多层石墨烯分别作为铁电忆阻器的上、下电极层，形成金属/铁电体/半导体(M-FE-S)架构的忆阻器；在顶部半导体层上方通过堆叠多层h-BN作为栅极介电层引入了MOSFET架构。底部M-FE-S忆阻器件开关比超过105，具有长期数据存储能力，且阻变行为与CuInP2S6层的铁电性存在较强耦合(图1)。此外，研究通过制备3×4的阵列结构展示了该型铁电忆阻器件应用于存储交叉阵列【crossbar array，实现随机存取存储器(RAM)的关键结构】的可行性(图2)。进一步，研究在上方MOSFET施加栅极电压，有效调控了二维半导体层MoS2的载流子浓度(或费米能级)，从而对下方M-FE-S忆阻器的存储性能进行操控(图3)。基于上述成果，科研人员展示了该型器件的门电压可调多阻态的存储特性(图4)。 　　本研究展示的门电压可编程的铁电忆阻器有望在未来人工突触等神经形态计算系统中发挥重要作用，并或推动基于二维铁电材料制备多功能器件的开发。此外，该工作提出的MOSFET与忆阻器垂直集成的架构可进一步扩展到其他二维材料体系，从而获得性能更加优异的新型存储器。 　　研究工作得到国家重点研发计划“青年科学家项目”、国家自然科学基金青年科学基金项目/面上项目/联合基金项目、沈阳材料科学国家研究中心等的支持。图1.器件结构设计及两端铁电忆阻器的存储性能。a、器件结构示意图；b、器件的阻变行为；c、少层CuInP2S6的压电力显微镜相位和幅值图；d、器件在不同温度下的输运行为；e、存储器的数据保持能力测试；f、存储器开关比统计图。图2.铁电忆阻器存储阵列演示。a、二维铁电RAM结构示意图；b、CuInP2S6/MoS2界面的HAADF-STEM照片；c、3×4阵列的SEM图像；d、局部放大图；e、3×4阵列的光学照片；f-g、通过读取3×4阵列中每个交叉点的高阻态和低阻态编码的“I”“M”“R”的简化字母。图3.器件的可编程存储特性。a、器件结构示意图；b、MoS2层的转移特性曲线；c-d、异质结的能带结构图；e-f、通过施加门电压实现了对存储窗口从有到无的调控。图4.门电压可编程存储器的多阻态存储特性。a-d、器件在不同门电压下的存储窗口；e、器件的多阻态存储性能演示；f、栅极调控的耐疲劳特性。

3月17日，国家重大科研仪器研制项目&ldquo 二维电子材料及纳米量子器件的研究和原位分析仪器 &rdquo 启动会在中国科学院微电子研究所召开。国家自然科学基金委相关领导、项目专家组成员、项目科研及管理人员共60余人参加了会议。会议由基金委信息科学部常务副主任秦玉文主持。 　　&ldquo 二维电子材料及纳米量子器件的研究和原位分析仪器 &rdquo 由中科院微电子所牵头，北京大学、中山大学、复旦大学、浙江大学、中科院半导体研究所联合承担。 　　微电子所副所长刘新宇代表研究所对与会领导和专家表示欢迎。微电子所八室主任夏洋等项目及课题负责人从二维电子材料及纳米量子器件的研究和原位分析仪器，二维材料的物理性质及纳米电子器件的理论模拟，二维半导体与绝缘体、金属的界面研究与原位分析，高性能、可器件化的ZnO半导体材料制备，石墨烯生长及原位拉曼表征平台研发，碳基纳米电子器件研究和E-PEALD/SPM/R仪器系统集成七个方面汇报了项目的进展情况、研制内容、研制计划和研制难点。与会专家认真听取汇报，建议项目组在做好科研工作的同时，要注重技术转移转化，提升产品的实用性，并针对项目可能存在的困难和问题提出了宝贵的意见和建议。 　　会后，与会领导、专家实地参观了微电子设备工艺研发实验平台和净化工艺线。 会议现场 参观微电子设备工艺研发实验平台

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统西班牙Das Nano公司成立于2012年，是一家提供高安全级别打印设备，太赫兹无损检测设备以及个人身份安全验证设备的高科技公司。ONYX是其在全球范围内推出的第一款针对石墨烯、半导体薄膜和其他二维材料大面积太赫兹无损表征的测量设备。ONYX采用先进的脉冲太赫兹时域光谱专利技术，实现了从科研及到工业级的大面积石墨烯及二维材料的无损和高分辨，快速的电学性质测量，为石墨烯和二维材料科研和产业化研究提供了强大的支持。与传统四探针测量法相比，ONYX无损测量样品质量空间分布与拉曼，AFM，SEM相比，ONYX能够快速表征超大面积样品背景介绍太赫兹辐射( T射线)通常指的是频率在0. 1～10THz、波长在30μm-3mm之间的电磁波，其波段在微波和红外之间，属于远红外和亚毫米波范畴。该频段是宏观经典理论向微观量子理论的过度区，也是电子学向光子学的过渡区。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生方法和探测手段，科学家对于该波段电磁辐射性质的了解和研究非常有限，在相当长的一段时期,很少有人问津。电磁波谱中的这一波段(如下图) ，以至于形成远红外和亚毫米波空白区,也就是太赫兹空白区（THz gap）。太赫兹波段显著的特点是能够穿透大多数介电材料（如塑料、陶瓷、药品、绝缘体、纺织品或木材），这为无损检测（NDT）开辟了一个可能的新世界。同时，许多材料在太赫兹频率上呈现出可识别的频率指纹特性，使得太赫兹波段能够实现对许多材料的定性和定量研究。太赫兹波的这两个特性结合在一起，使其成为一种全新的材料研究手段。而且其光子能量低，不会引起电离，可以做到真正的无损检测。 ONYX工作原理 ONYX是全球第一套实现石墨烯、半导体薄膜和其他二维材料全面积无损表征的测量系统，能够满足测试面积从科研级（mm2）到晶元级（cm2）以及工业级（m2）的不同要求。与其他大面积样品的测量方法（如四探针法）相比，ONYX能够直观得到样品导电性能的空间分布。与拉曼、扫描电镜和透射电镜等微观方法相比，微米级的空间分辨率能够实现对大面积样品的快速表征。ONYX采用先进的脉冲太赫兹时域光谱THz-TDS技术，产生皮秒量级的短脉太赫兹冲辐射。穿透性极强的太赫兹辐射穿透进样品达到各个界面，均会产生一个小反射波可以被探测器捕获，获得太赫兹脉冲的电场强度的时域波形。对太赫兹时域波形进行傅里叶变换,就可以得到太赫兹脉冲的频谱。分别测量通过试样前后(或直接从试样激发的)太赫兹脉冲波形,并对其频谱进行分析和处理,就可获得被测样品介电常数，吸收吸收以及载流子浓度等物理信息。再利用步进电机完成其扫描成像，得到其二维的电学测量结果。ONYX主要参数及特点样品大小: 10x10mm-200x200mm 全面的电导率和电阻率分析样品100%全覆盖测量最高分辨率：50μm完全非接触无损无需样品制备载流子迁移率, 散射时间, 浓度分析 可定制样品测量面积(m2量级)超快测量速度： 12cm2/min软件功能丰富，界面友好全自动操作图1 太赫兹光谱范围及信噪比ONYX主要功能→ 直流电导率（σDC）→ 载流子迁移率, μdrift→ 直流电阻率, RDC→ 载流子浓度, Ns→ 载流子散射时间，τsc→ 表面均匀性ONYX应用方向石墨烯材料：→ 单层/多层石墨烯 → 石墨烯溶液→ 掺杂石墨烯→ 石墨烯粉末→ 氧化石墨烯→ SiC外延石墨烯其他二维材料： → PEDOT→ Carbon Nanotubes→ ITO→ NbC→ IZO→ ALD-ZnO石墨烯光伏薄膜材料半导体薄膜电子器件PEDOT钨纳米线GaN颗粒Ag 纳米线ONYX测试数据1. 10x10mm CVD制备的石墨烯在不同分辨率下的电导率结果 2.10 x10mm CVD制备的石墨烯不同电学参数测量结果 3.利用ONYX测量ALD沉积在硅基底上的TiN电导率测量结果 ONYX发表文章1. P Bogild et al. Mapping the electrical properties of large-area graphene. 2D Mater. 4 (2017) 042003.2. S Fernández et al. Advanced Graphene-Based Transparent Conductive Electrodes for Photovoltaic Applications. Micromachines 2019, 10, 402.3. David M. A. Mackenzie et al. Quality assessment of terahertz time-domain spectroscopy transmission and reflection modes for graphene conductivity mapping. OPTICS EXPRESS 9220, Vol. 26, No. 7, 2 Apr 2018. 4. A Cultrera et al. Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography. Scientific Reports , (2019) 9:10655.ONYX用户单位重要客户合作伙伴参与项目创新点：ONYX是第一款针对石墨烯、半导体薄膜和其他二维材料大面积太赫兹无损表征的测量设备，采用先进的脉冲太赫兹时域光谱专利技术。与传统四探针测量法相比，ONYX无损测量样品质量空间分布；与拉曼，AFM，SEM相比，ONYX能够快速表征超大面积样品石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

【科学背景】随着纳米技术和量子材料科学的进展，二维(2D)过渡金属二硫属化合物(TMDC)莫尔超晶格引起了越来越多的关注。这种材料提供了一个强大的平台，用于模拟每个莫尔晶胞包含一个或几个人工原子的强关联量子固体。这种模拟不仅帮助科学家们理解了量子相变和电子关联效应，还揭示了许多新奇的量子现象和材料特性，例如莫特绝缘体、广义维格纳晶体和量子反常霍尔绝缘体。然而，在研究TMDC莫尔超晶格的过程中，科学家们面临着一些挑战。传统上，大多数研究集中在模拟费米-哈伯德模型，这种模型通过单一的在位排斥能U描述原子内相互作用，忽略了原子内部的自由度。这种简化虽然有助于理解基本的量子相互作用，但无法全面描述多电子系统中复杂的电荷分布和相互作用。最近的理论研究预测，在莫尔超晶格中的多电子人工原子中，由于单粒子能级间隔Δ和原子内部库仑排斥能U之间的竞争，可以产生显示出不寻常电荷密度分布的量子态。然而，这些理论预测缺乏实验验证，尤其是在直接成像和观察这些维格纳分子的长程有序排列方面。为了解决这些问题，科学家们进行了多方面的探索。最近，加州大学伯克利分校王枫、Hongyuan Li、Michael F. Crommie及麻省理工Liang Fu等人在“Science”期刊上发表了题为“Wigner molecular crystals from multielectron moiré artificial atoms”的最新论文。他们开发了一种先进的扫描隧道显微镜(STM)成像方案，以实验证明在扭曲的二硫化钨(tWS2)莫尔超晶格中多电子人工原子中维格纳分子晶体的存在。他们的研究不仅验证了理论预测，还展示了这些维格纳分子晶体如何通过机械应变、莫尔周期和载流子类型进行调节。这些发现为理解多电子系统中的复杂相互作用提供了新的视角，也为设计和控制新型量子材料提供了有力的工具。【科学亮点】（1）实验首次在扭曲双层二硫化钨（tWS2）莫尔超晶格中观察到了多电子人工原子中的维格纳分子晶体。通过扫描隧道显微镜（STM）成像，作者实验证明了在这些多电子人工原子中，维格纳分子晶体的形成。这些晶体结构代表了一种电子的晶体相，展示了电子在不同位置的强局部化现象，以最小化库仑能量。（2）实验通过以下几个方面得到了重要结果：&bull 使用扫描隧道显微镜（STM）观察到了多电子人工原子中维格纳分子的出现。当库仑相互作用占主导地位时，这些维格纳分子在多电子人工原子中形成。&bull 实验结果展示了维格纳分子晶体的高度可调性。通过调整机械应变、莫尔周期和载流子类型，可以调节这些维格纳分子的排列和特性。&bull 理论模拟进一步解释了电子-电子相互作用和莫尔势在导致维格纳分子晶体形成中的作用。这些模拟结果明确了单粒子能级间隔Δ和原子内部库仑排斥能U之间的竞争对电子态的影响，并展示了在不同维格纳参数RW下电子配置的变化。&bull 研究表明，在小RW值时，多电子莫尔原子的基态可以通过简单地填充非相互作用轨道来近似，形成中心峰值的电荷分布。然而，在足够大的RW值时，电子会强烈局部化，形成维格纳分子，展示了相互作用主导的电子结构和轨道重构。【科学图文】图1： 莫尔超晶格中的多电子人造原子。图2：Wigner分子的CBE和VBE隧道电流测量。图3： Wigner分子晶体结构工程。图4：Wigner分子晶体的数值模拟。【科学启迪】本研究揭示了在二维过渡金属二硫属化合物（TMDC）莫尔超晶格中，多电子人工原子可以形成维格纳分子晶体这一独特的电子晶体相。这种相对传统量子固体的革新在于其来源于人工设计的原子结构，而非自然存在的原子。通过扫描隧道显微镜（STM）的隧道电流测量方案，研究团队首次直接观察到了这一电子晶体相的形成过程，为理解和利用强关联电子系统提供了新的实验平台。此外，研究还展示了通过调节电荷载流子类型、莫尔周期和机械应变，可以有效地控制和调节维格纳分子晶体的性质。这种可控性不仅为量子材料的设计和制备提供了新的策略，还为探索在维格纳分子晶体内部产生的自旋、电荷和拓扑现象打开了全新的研究方向。因此，本文不仅在实验上验证了理论预测，还为开发新型量子材料及其应用奠定了坚实的基础，同时推动了强关联量子系统研究的前沿进展。文献详情：HONGYUAN LI. et al. Wigner molecular crystals from multielectron moiré artificial atoms. Science, 2024, 385(6704): 86-91；https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk1348

【科学背景】量子霍尔效应的发现由德国科学家克劳斯冯克利钦于1980年提出，并因此在1985年获得诺贝尔物理学奖，标志着凝聚态物理学发展史上的重要里程碑。量子霍尔效应及其后续的拓扑量子物态，如量子反常霍尔效应、量子自旋霍尔效应和陈绝缘态等，因其拓扑保护的边界态传输特性，被认为有潜力成为低功耗量子电子器件的新型信息载体，能够克服传统电子器件在面对外界干扰时的问题。然而，利用拓扑量子物态构建量子电子器件仍面临诸多挑战。其中包括如何实现选择性和准连续的量子态切换以及如何在器件中稳定实现多个量子态的共存和操作。为应对这些挑战，南京大学物理学院的梁世军和缪峰教授团队与南京理工大学的程斌教授合作，通过构建双侧对齐的魔角石墨烯器件，成功观测到了电子型铁电性与陈绝缘体的共存，并提出并验证了噪声免疫的类脑计算方案。研究团队通过精确控制栅压脉冲的幅值，实现了在同一器件中1280个准连续的铁电态，进一步利用陈绝缘态的量子化电导作为权重，成功展示了铁电陈绝缘体器件在具有噪声免疫特性的卷积神经网络中的潜力。这些研究成果为基于拓扑边界态的新型低功耗电子器件的发展提供了实验验证，为未来量子电子技术的应用和进一步优化提供了有力支持。【科学亮点】（1）实验首次展示了拓扑Chern绝缘体器件中的选择性和准连续铁电切换，这是一项重要的创新。研究团队通过双侧对齐的魔角石墨烯器件构建，成功观测到了电子型铁电性与陈绝缘体的共存。（2）实验通过精确控制栅压脉冲的幅值，实现了在有限磁场下，任意一对Chern绝缘态之间的选择性非易失切换。在同一器件中，团队成功实现了1280个准连续的铁电态，这为量子电子器件的多态性能提供了新的可能性。（3）进一步的研究展示，利用陈绝缘态的量子化电导作为权重，首次在卷积神经网络中展示了铁电陈绝缘体器件的应用潜力。这一发现为开发具有噪声免疫特性的新型低功耗电子器件奠定了技术基础。【科学图文】图1：DA-MATBG器件的电学表征。图2. 面内磁电耦合效应。图3. 铁电陈绝缘体态和选择性开关。图4. 准连续铁电开关。图5：准连续铁电态的选择性开关与噪声免疫神经形态计算方案。【科学结论】本文的科学在于探索拓扑量子材料与铁电效应的结合，特别是在DA-MATBG材料中观测到的范德华界面铁电性与拓扑边缘态的共存。这不仅在量子材料研究中开辟了新的可能性，还首次展示了在莫尔异质结构中实现的正交磁电效应。通过精确控制栅压脉冲的幅度，研究团队实现了在有限磁场条件下Chern绝缘态的选择性和确定性切换，以及准连续的霍尔电阻水平。这种创新不仅为量子电子器件设计提供了新的思路，还在神经形态计算中展示了拓扑量子材料作为信息载体的潜力。尽管目前的设备需要外部磁场以破坏时间反演对称性，但这项研究的控制方法和噪声免疫神经网络的应用具有广泛的适用性，可以推广到其他Chern绝缘体系统，甚至是零场条件下的情况。未来的研究将集中于在无外部磁场的环境中实现拓扑量子材料的选择性铁电切换，这将为开发高容错性和低能耗的新型电子器件打开全新的可能性。原文详情：Chen, M., Xie, Y., Cheng, B. et al. Selective and quasi-continuous switching of ferroelectric Chern insulator devices for neuromorphic computing. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01698-y

15日，记者从中国科学技术大学获悉，该校曾长淦教授、李林副研究员研究团队与北京量子信息科学研究院解宏毅副研究员等合作，通过构筑石墨烯与氧化物界面超导体系的复合结构，揭示了二维半金属和二维超导体之间由于量子涨落诱导的巨幅超流拖拽效应。相关成果日前在线发表于《自然物理》。对于两个空间相近但彼此绝缘的导电层构成的电双层结构，在其中一层（主动层）施加驱动电流，层间载流子之间的耦合会在另一层（被动层）中诱导产生一个开路电压或闭路电流，即产生层间拖拽效应。基于二维电子气之间的拖拽效应，可以探索准粒子的层间长程相互作用，发现如激子超流体等新颖层间关联量子态。由于较强的介电屏蔽效应，拖拽电流耦合比远远小于1。而将其中一层或两层替换成超导材料，将有望产生耦合比显著增强的超流拖拽效应。研究团队构筑了石墨烯与氧化物异质界面组成的二维半金属—超导体电双层结构，并对其层间拖拽行为进行了系统研究。他们发现，在氧化物界面超导转变区间，石墨烯层中施加驱动电流可以在氧化物界面诱导出巨幅拖拽电流，且强度可以通过栅压/外磁场等进行有效调控。特别是在界面超导最优掺杂附近，拖拽电流耦合比达到0.3，即所产生的拖拽电流大小与驱动电流相当。与此前传统普通金属/超导金属体系相比，耦合比提高了两个量级以上。这一结果揭示了宏观量子涨落对于层间准粒子相互作用的显著调制。在应用层面，基于该复合结构将有望制备新型电流或电压高效转换器件，包括超导二极管等量子器件，将推动具有丰富量子物相的更广泛二维电子体系的拖拽效应研究，并发现更多基于层间长程耦合的新颖量子多体效应。

图一，量子反常霍尔效应的示意图，拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态，从而导致量子反常霍尔效应 　　 　　图二，理论计算得到的磁性拓扑绝缘体多层膜的能带结构和相应的霍尔电导 　　 　　图三，在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中测量到的霍尔电阻 　　中新社北京3月15日电 (记者 马海燕)北京时间3月15日凌晨，《科学》杂志在线发文，宣布中国科学家领衔的团队首次在实验上发现量子反常霍尔效应。这一发现或将对信息技术进步产生重大影响。 　　这一发现由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学、中国科学院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队历时4年完成。在美国物理学家霍尔1880年发现反常霍尔效应133年后，终于实现了反常霍尔效应的量子化，这一发现是相关领域的重大突破，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。 　　由于人们有可能利用量子霍尔效应发展新一代低能耗晶体管和电子学器件，这将克服电脑的发热和能量耗散问题，从而有可能推动信息技术的进步。然而，普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此应用起来将非常昂贵和困难。但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。 　　美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。1980年，德国科学家冯克利青发现整数量子霍尔效应，1982年，美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。 　　相关链接 　　“量子反常霍尔效应”研究获突破 　　中国科学网 　　由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年不懈探索和艰苦攻关，最近成功实现了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一项重要科学突破，该物理效应从理论研究到实验观测的全过程，都是由我国科学家独立完成。 　　量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。它是一种典型的宏观量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。1980年，德国科学家冯克利青(Klaus von Klitzing)发现了“整数量子霍尔效应”，于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年，美籍华裔物理学家崔琦(Daniel CheeTsui)、美国物理学家施特默(Horst L. Stormer)等发现“分数量子霍尔效应”，不久由美国物理学家劳弗林(Rober B. Laughlin)给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。在量子霍尔效应家族里，至此仍未被发现的效应是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。 　　“量子反常霍尔效应”是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应 同时它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。1988年，美国物理学家霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。2010年，中科院物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟教授等合作，从理论与材料设计上取得了突破，他们提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现量子反常霍尔效应的最佳体系[Science，329, 61(2010)]。他们的计算表明，这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下，即处在“量子反常霍尔效应”态。该理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣，许多世界顶级实验室都争相投入到这场竞争中来，沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应。 　　在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中实现“量子反常霍尔效应”，对材料生长和输运测量都提出了极高的要求：材料必须具有铁磁长程有序 铁磁交换作用必须足够强以引起能带反转，从而导致拓扑非平庸的带结构 同时体内的载流子浓度必须尽可能地低。最近，中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队合作攻关，在这场国际竞争中显示了雄厚的实力。他们克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。该结果于2013年3月14日在Science上在线发表，清华大学和中科院物理所为共同第一作者单位。 　　该成果的获得是我国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的一个成功典范。前期，团队成员已在拓扑绝缘体研究中取得过一系列的进展，研究成果曾入选2010年中国科学十大进展和中国高校十大科技进展，团队成员还获得了2011年“求是杰出科学家奖”、“求是杰出科技成就集体奖”和“中国科学院杰出科技成就奖”，以及2012年“全球华人物理学会亚洲成就奖”、“陈嘉庚科学奖”等荣誉。该工作得到了中国科学院、科技部、国家自然科学基金委员会和教育部等部门的资助。(中科院物理研究所 作者：薛其坤等)

首次在石墨烯中观测到陈氏绝缘体行为近日，加州大学伯克利分校陈国瑞博士、王枫教授与复旦大学张远波教授及斯坦福大学David Goldhaber-Gordon教授合作在Nature上发表题为“Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moiré superlattice”的研究论文【1】。据陈国瑞博士介绍：“我们的发现表明，石墨烯是物理研究的理想平台，从单粒子物理到强关联物理，从超导到现在的拓扑物理在二维材料中的量子效应。令人兴奋的是，我们现在可以在一个只有百万分之一毫米厚的微小器件中探索新的物理现象。迄今为止，在同一个器件中能通过调控分别出现超导、绝缘和磁性的材料体系非常罕见。大多数人认为石墨烯很难产生磁性，因为碳材料通常不具有磁性，而这项研究成果的亮点之一就是第一次将这三种性质结合在一个器件中。如今电子产品中使用的磁性材料是由铁磁性金属制成的，如铁或钴合金。然而，组成石墨烯的不是磁性金属元素，而是碳，所以在石墨烯里面产生磁性很难。这次陈国瑞博士等人想出了一个创造性的解决办法：当夹在二维氮化硼之间时，石墨烯（三层石墨烯）就会形成一个称为Moiré超晶格的结构（图一）。这时通过在石墨烯器件的栅极上施加电压，垂直方向的电场会促使器件中的电子沿着同一方向旋转，将石墨烯器件变为了一个铁磁系统。图一左图：ABC三层石墨烯Moire超晶格样品及器件结构。右图：在极低温下T=0.06K，观测到v=2量子化平台。与此伴随的是另一重要的新特性：石墨烯系统的内部不仅变得有磁性，而且还变得绝缘，同时它的边缘变成了一个零电阻的电流通道。研究人员说，这是一种被称为陈氏绝缘体（Chern insulator）的罕见绝缘体。量子计算近些年十分热门，其数据便是存储在量子比特中，一个量子位可以表示一个1，一个0，或者它同时是一个1和一个0的状态。陈氏绝缘体的研究一直是拓扑量子计算领域的研究热点，同时也为量子计算中操纵信息提供了潜在的新方法。更令人惊讶的是，麻省理工学院的合作者Zhang Ya-Hui的计算结果显示，由于三层石墨烯中电子与电子之间的强相互作用，石墨烯器件的导电边缘态不仅仅只有一个，而且有两个，这是人们首次实验观测到“高阶陈氏绝缘体”（图二）。图二：石墨烯的磁性和C=2 反常量子霍尔效应陈国瑞博士希望可以用他们的石墨烯器件进行更多的实验研究，以便更好地了解陈氏绝缘体/磁性是如何产生的，以及其异常特性背后的机理【2】。先前的研究在石墨烯中调控出了超导态和Mott绝缘态【3】【4】，其中有一部分三层石墨烯的Mott绝缘态和超导态工作也是陈国瑞博士完成的【5】【6】。陈国瑞博士是牛津仪器上海低温强磁实验室的用户。他向我们讲述了该研究背后的故事。2019年春节前，为了研究三层石墨烯Moire超晶格样品的反常量子霍尔效应，需要首先研究其在低温强磁场中的性质。作为牛津仪器资深用户，陈博士首先联系了牛津仪器上海低温强磁实验室，提出希望利用牛津仪器TeslatronPT无液氦超导磁体系统进行初步测量。经过多日连续测试，终于得到了初步实验结果。如下是采得的数据，在1.5K温度下，2T磁场的时候已经初步看到v=2量子化平台出现（图三），预示着很可能有新的结果，于是陈博士立刻联系了国外的合作者进行了更低温度的测量，最终得到了令人满意的结果。图三：T=1.5K时看到半整数量子化平台迹象牛津仪器很高兴能为该研究提供支持。来自伯克利实验室、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、SLAC国家加速器实验室、麻省理工学院、上海交通大学、人工微结构协同创新中心、复旦大学、日本国家材料科学研究所的研究人员参加了这项工作。图四：陈国瑞博士（左三）等用户和 牛津仪器工作人员合影参考文献/链接：1. Nature 579, 56–61 (2020)2. https://newscenter.lbl.gov/2020/03/04/2d-material-gets-a-new-gig/3. Nature 556, 80–84(2018)4. Nature 556, 43–50(2018)5. Nature Physics 15, 237–241 (2019)6. Nature 572, 215–219 (2019)

WITec共聚焦拉曼系统采用模块化设计，拥有强大的性能扩展空间，有利于多种显微光学技术的联合分析测试。近来，华中科技大学翟天佑教授课题组将超快fs激光引入到alpha 300R共聚焦拉曼显微镜，如下图a。利用拉曼系统的高共聚焦性，实现二维层状材料MoS2的衍射极限SHG非线性光学成像，如下图c。对比光学图像b，SHG图像提供了非常丰富的样品生长取向与晶界等信息，如光学图像不可见的晶界1，晶畴i与ii区域。二维层状材料MoS2的衍射极限SHG非线性光学成像 a) SHG显微成像系统光路示意图：800 nm fs脉冲激光为SHG激发源；拉曼光谱系统探测400 nm二次谐波强度. b) CVD生长的单层MoS2. c)MoS2的SHG图像，提供了非常丰富的样品生长取向与晶界等信息，如光学图像不可见的晶界1，晶畴i与ii区域。d) SHG与光学图像叠加图，可明显观测到样品晶界与晶畴的空间分布。结合了SHG非线性成像, alpha300R共聚焦拉曼系统进一步扩展了自身的功能与应用领域，在同区域的拉曼、荧光及非线性光学(SHG, THG, TPPL等)多种成像联用方面表现出极大的技术优势，非常有利于全面理解与掌握样品的晶格振动、晶格取向、晶界及发光等重要性质。另附：2014年宾夕法尼亚州立大学Prof. Venkatraman Gopalan在alpha300R系统上自行搭建SHG成像系统，并应用于传统铁电材料的热致相变与边界分析，该工作发表在Nature Com.( DOI: 10.1038/ncomms4172)。铁电材料BaTiO3单晶SHG成像分析二次谐波(也被称为倍频或简称SHG)是一种非常重要的二阶非线性光学效应。两个相同频率光子(w0)与物质相互作用后淬灭，产生一个两倍频率的新光子(2w0)，属于和频非线性效应中的一种。SHG二阶效应产生机制要求物质及晶体结构不具备中心对称性。目前，通过与共聚焦光学显微镜联用，二维/三维二次谐波成像(SHG imaging)是非常热门的成像技术，并已广泛应用于众多领域。在材料方面，SHG成像可以用于探索材料晶体取向、对称性与界面效应等，如传统非对称性的铁电材料(BaTiO3等)的热致相变问题；新型磁性拓扑绝缘体(Bi2Se3等)的晶格对称性与表面电荷；多相催化与晶体外延生长(MoS2)等。SHG成像技术在生物医学领域的潜在应用也受到广泛关注，如高度极化的胶原蛋白，微管，肌球蛋白、活体细胞与组织的病理分析。由表面等离子体(plasmonics)金属微纳米结构或电磁场的不对称性引起的SHG非线性效应也是该领域的研究热点。