作者:康奈尔大学大卫·纳特
信用:CC0公共领域
康奈尔大学的研究人员通过一个小小的扭转和电压旋钮的转动，展示了一个单一的材料系统可以在凝聚态物理中最狂野的两种状态之间切换:量子ano malous Hall绝缘体和二维拓扑绝缘体
通过这样做，他们实现了一个难以捉摸的模型，这个模型是十多年前首次提出的，但科学家们从未能够证明，因为似乎不存在合适的材料
既然研究人员已经创建了正确的平台，他们的突破可能会带来量子设备的进步
该团队的论文《缠绕云纹带的量子反常霍尔效应》发表于12月
自然中的22
合著者包括前博士后研究员李廷新和蒋胜伟，博士生沈博文和麻省理工学院研究员张旸
该项目是文理学院物理系副教授Mak Kin Fai和该论文的合著者、工程学院应用与工程物理学教授Jie Shan的共享实验室的最新发现
两位研究人员都是康奈尔纳米科学学院的成员；他们通过教务长的纳米科学和微系统工程项目来到康奈尔大学
他们的实验室专门研究2D量子材料的电子性质，通常是通过堆叠超薄的半导体单层，使它们稍微错配的重叠产生莫尔晶格图案
在那里，电子可以沉积并相互作用，从而表现出一系列量子行为
在这个新项目中，研究人员将钼二硒化物(MoTe2)和钨二硒化物(WSe2)配对，以180度角扭转它们，形成一种被称为AB叠层的结构
施加电压后，他们观察到了所谓的量子反常霍尔效应
这源于一种被称为霍尔效应的现象，最早是在19世纪晚期观察到的，在这种现象中，电流流过样本，然后被以垂直角度施加的磁场弯曲
1980年发现的量子霍尔效应是超大型版本，其中施加了大得多的磁场，引发了更奇怪的现象:大块样品的内部变成了绝缘体，而电流沿着外部边缘向单一方向移动，电阻被量化为由宇宙基本常数定义的值，而不管材料的细节如何
2013年首次发现的量子反常霍尔绝缘体达到了同样的效果，但没有任何磁场的介入，电子就像在高速公路上一样沿着边缘飞驰，没有耗散能量，有点像超导体
Mak说:“长期以来，人们认为量子霍尔效应需要一个磁场，但实际上你并不需要。”
“那么是什么取代了磁场的作用呢？原来是磁力
你必须使材料具有磁性
" MoTe2/WSe2堆现在加入了少数已知为量子反常霍尔绝缘体的材料行列
但这只是它吸引力的一半
研究人员发现，通过简单地调整电压，他们可以将他们的半导体堆变成2D拓扑绝缘体，这是量子反常霍尔绝缘体的一种表亲，只是它是重复存在的
在一个“副本”中，电子高速公路围绕边缘顺时针流动，在另一个副本中，它逆时针流动
这两种物质状态以前从未在同一个系统中得到证明
在咨询了由麻省理工学院合著者傅亮领导的合作者后，康奈尔团队了解到他们的实验已经实现了石墨烯的玩具模型，该模型是由宾夕法尼亚大学的物理教授查尔斯·凯恩和尤金·梅勒于2005年首次提出的
凯恩-梅勒模型是2D拓扑绝缘体的第一个理论模型
“这对我们来说是一个惊喜，”麦说
“我们只是制作了这种材料并进行测量
我们看到量子反常霍尔效应和2D拓扑绝缘体，说‘哦，哇
那太好了
然后我们和我们在麻省理工学院的理论朋友傅亮谈了谈
他们做了计算，发现这种材料实际上实现了凝聚态物质中一个长期以来备受追捧的模型
我们从未料到会这样
" 像石墨烯莫尔材料一样，MoTe2/WSe2可以在一系列量子态之间切换，包括从金属到Mott绝缘体的转变，该团队在9月份的《自然》杂志上报道了这一发现
现在，Mak和Shan的实验室正在研究这种材料的全部潜力，方法是将它与超导体耦合，并利用它来建造量子反常霍尔干涉仪，这两种干涉仪反过来都可以产生量子比特，这是量子计算的基本元素
Mak还希望他们能找到一种方法，显著提高发生量子反常霍尔效应的温度——大约2ke lvin——从而产生一种高温无耗散导体
合著者包括博士生李立众和醉涛；麻省理工学院和日本筑波国家材料科学研究所的研究人员
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