[论文解读] Realization of the Haldane Chern insulator in a moiré lattice

Wenjin Zhao, Kaifei Kang+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 20

一句话总结

本文报告在 AB 堆叠的 MoTe2/WSe2 莫尔条纹双层中实现了 Haldane Chern 绝缘体的实验实现，在一个较小的垂向磁场下，系统从量子自旋霍尔绝缘体转变为 Chern 数为 1 的 Chern 绝缘体，这一过程由广义 Kane–Mele 模型解释。

ABSTRACT

The Chern insulator displays a quantized Hall effect without Landau levels. In a landmark paper in 1988, Haldane showed that a Chern insulator could be realized through complex next-nearest-neighbor hopping in a honeycomb lattice. Despite its profound impact on the field of topological physics and recent implementation in cold-atom experiments, the Haldane model has remained elusive in solid-state materials. Here, we report the experimental realization of a Haldane Chern insulator in AB-stacked MoTe2/WSe2 moiré bilayers, which form a honeycomb moiré lattice with two sublattices residing in different layers. We show that the moiré bilayer filled with two charge particles per unit cell is a quantum spin Hall (QSH) insulator with a tunable charge gap. Under a small out-of-plane magnetic field, it becomes a Chern insulator with Chern number c=1 from magneto-transport studies. The results are qualitatively captured by a generalized Kane-Mele tight-binding Hamiltonian. The Zeeman field splits the QSH insulator into two halves of opposite valley--one with a positive and the other a negative moiré band gap. Our study highlights the unique potential of semiconductor moiré materials in engineering topological lattice Hamiltonians.

研究动机与目标

• 在固态莫尔晶格中实现的 Haldane Chern 绝缘体的实现性验证.
• 证明 AB 堆叠的 MoTe2/WSe2 莫尔条纹双层形成一个蜂窝晶格，两个亚晶格位于不同的层中。
• 确立每个莫尔单元胞有两个电荷时可实现具有可调电荷带隙的量子自旋霍尔绝缘体。
• 证明在一个小的垂向磁场驱动下可实现具有 Chern 数 C=1 的拓扑相变。
• 提供一个理论框架，将观测结果与广义 Kane–Mele 紧束缚哈密顿量联系起来。

提出的方法

• 制备形成蜂窝莫尔条纹晶格的 AB 堆叠 MoTe2/WSe2 莫尔条纹双层。
• 将载流子填充控制为每个莫尔单元胞两个电荷，以实现 QSH 态。
• 施加一个小的垂向磁场以诱导拓扑相变。
• 用广义 Kane–Mele 紧束缚哈密顿量解释磁传输测量。
• 纳入塞曼场效应，使 QSH 间隙分裂为相反谷的间隙。
• 将实验特征与莫尔晶格中 Haldane 类 Chern 绝缘体的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在固态莫尔材料中实现 Haldane Chern 绝缘体？
• RQ2 AB 堆叠的 MoTe2/WSe2 莫尔条纹双层是否具有可调的 QSH 相，并且在磁场作用下能否被驱动进入 Chern 绝缘体？
• RQ3 广义 Kane–Mele 模型是否能捕捉到观测到的拓扑相变与谷依赖带结构？
• RQ4 在该体系中，塞曼分裂和谷物理对达到 C=1 Chern 相的作用是什么？

主要发现

• 莫尔条纹双层形成一个蜂窝晶格，具有分布在不同层的两个亚晶格，当每单元胞填充为两个电荷时，表现出可调带隙的量子自旋霍尔绝缘体。
• 在一个较小的垂向磁场下，该体系通过磁传输测量显示成为 Chern 数为 C=1 的 Chern 绝缘体。
• 广义 Kane–Mele 紧束缚哈密顿量（包含塞曼分裂和谷依赖带隙）在定性上可捕捉该行为。
• 塞曼场将 QSH 状态分裂为两个具有相反谷带隙的半部分，从而实现 Chern 绝缘体相。
• 结果凸显了半导体莫尔材料在设计拓扑晶格哈密顿量方面的潜力。