大爆发！最强夫妻教授麦健辉、单杰年内第三篇Nature

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

今天要给大家介绍一对神仙夫妻档，来自康奈尔大学的麦健辉（Kin Fai Mak）教授和单杰教授。

目前两人同在康奈尔大学工作，主要的研究方向是二维量子材料，迄今已经发表7篇Nature、22篇Nature 大子刊（Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Physics、Nature Photonics）。

图1. 神仙夫妻档：单杰教授（左）和麦健辉教授（右）

特别是今年，研究成果大爆发！仅仅下半年，便已经在《Nature》上发表三篇研究论文！

2021.09.15---第一篇《Nature》:  半导体莫尔超晶格中的连续莫特跃迁

由定域电子引起的相互作用（莫特转变）一般按照预计是发生在半填充的哈伯德模型中，当电子的动能（以带宽W为特征）远远超过它们的相互作用能（以现场库仑斥力U为特征）时，基态是具有明确定义的电子费米面的金属。相反，当U≫W时，基态是具有电荷间隙的电绝缘体。当U和W具有可比性时，系统会经历金属绝缘体转变（MIT）。尽管研究人员对此现象进行了广泛的理论研究，但具体的实验却少之又少。而半导体莫尔材料在三角形晶格上实现了高度可控的哈伯德模型模拟器，提供了一个独特的机会，通过电子相互作用的连续调谐来驱动金属-绝缘体转变 (MIT)。

2021年9月15日，单杰教授和麦健辉教授通过电调节 MoTe2/WSe2 莫尔超晶格中的有效相互作用强度，观察到每个晶胞固定填充一个电子时的连续 MIT。研究发现， MoTe2/WSe2莫尔超晶格中的连续莫特转变在300 mK，并通过电阻的缩放坍塌、随着从绝缘侧接近临界点而持续消失的电荷间隙以及从金属侧发散的准粒子有效质量证实了量子临界性的存在。该结果与二维连续莫特转变的普遍批判理论一致。

图 2：带宽调谐的金属-绝缘体过渡。

2021.10.27---第二篇《Nature》: 原子双层中强相关激子绝缘体

想象一下，你最喜欢的电影院刚刚安装了一个每个人都想坐的VIP座位。如果看电影的人是玻色子，一种基本粒子，他们可以同时坐在这个座位上。这就是玻色-爱因斯坦凝聚背后的物理学原理，这种现象涉及气体中的大部分玻色子同时占据最低能量的量子态。目前，玻色-爱因斯坦凝聚已在冷原子气体中实现，这种气体由温度接近绝对零的原子组成。然而，由于所需机械的尺寸，维持微开尔文温度绝非易事。

2021年10月27日，麦健辉与单杰教授团队报告了一种处于平衡状态的玻色子流体，即在TMD半导体双层中形成的强相关2D激子绝缘体基态。值得注意的是，它是在一个紧凑的固态设备中在高达100K的温度下产生——这在普通物理实验室的范围内。当施加在两个电隔离的TMD层之间的偏置电压被调整到一个范围内时，会产生准平衡空间间接激子流体，该范围内包含束缚电子-空穴对，但不包含自由电子或空穴。电容测量表明，流体是激子可压缩的，但电荷不可压缩——激子绝缘体的直接热力学证据。此外，研究人员还构建了一个激子相图，不仅揭示了莫特跃迁和相互作用稳定的准凝聚，还为实现激子的奇异量子相位以及应用的多终端激子电路铺平了道路。

图3. 层间激子的电储层。

2021.12.22---第三篇《Nature》: 交织莫尔条纹的量子反常霍尔效应

电子相关性和拓扑学是现代凝聚态物理学的两个核心线索。其中，半导体莫尔材料，尤其是过渡金属二硫属化物 (TMD) 异质结，为工程电子相关性、拓扑结构及其相互作用提供了高度可调的平台。目前，相关驱动的现象如莫特绝缘体、广义维格纳晶体、条纹相和连续莫特跃迁等，已经被证实。然而，迄今为止，在 TMD 中还没有实现非平凡的带拓扑。

2021年12月22日，麦健辉教授和单杰教授在《Nature》发文报道，首次在 AB 堆叠的 MoTe2/WSe2 莫尔异质双层中观察到的量子反常霍尔效应：在 ν = 1 处从莫特绝缘体到 QAH 绝缘体的拓扑相变。与 AA 堆叠的异质双层不同，面外电场不仅控制带宽，而且通过交织以不同层为中心的莫尔带来控制带拓扑。在半带填充处，对应于每个莫尔晶胞一个粒子，研究人员观察到量化霍尔电阻 h/e2（其中 h 和 e 分别表示普朗克常数和电子电荷），以及在零磁场下消失的纵向电阻。从莫特绝缘体到量子反常霍尔绝缘体的电场诱导拓扑相变先于绝缘体到金属的转变。令人惊讶的是，与大多数已知的拓扑相变相反，它不伴随大量电荷间隙闭合。该项工作为发现半导体莫尔材料中强相关性和拓扑结构的综合影响所产生的新兴现象铺平了道路。

图4. AB 堆叠的 MoTe2/WSe2 异质双层。

作者简介

麦建辉，2005年毕业于香港科技大学，2010年获美国哥伦比亚大学物理学博士，随后分别在哥伦比亚大学和康奈尔大学康奈尔大学 Kavli 纳米尺度科学研究所从事博士后研究。2014-2018年，以助理教授身份加入宾州州立大学物理系。2018年入职康奈尔大学应用与工程物理系。自2019年至今，任职副教授。麦教授先后获得2012年IUPAP 青年科学家奖、2014年国际纯物理与应用物理联合会（IUPAP）量子电子学年轻科学家奖、2015年联邦能源部年轻研究奖及2016年美国空军年轻学者奖。

主要研究方向为探索原子级薄材料及其异质结构中的新物理现象，包括光谱学； 二维量子材料及其异质结构； 固体中的Berry曲率效应； 二维超导和激子凝聚； 磁性; 强相关物理学。迄今为止，已经在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Physics、Nature Photonics等著名期刊发表论文89篇，引用次数超39470，H-index 51。

单杰，1996 年获得俄罗斯莫斯科国立大学数学与物理专业文凭和博士学位。2001年获得哥伦比亚大学物理学博士学位。2002-2014年，在凯斯西储大学担任物理学助理和副教授；2014 - 2017 年，宾夕法尼亚州立大学副教授和正教授；2018 年加入康奈尔大学应用与工程物理学院，担任正教授。

单杰教授的研究重点是纳米材料的光学和电子特性，特别是原子级薄的二维晶体（如石墨烯和二硫化钼）及其异质结构。 迄今已在Nature、Physical review letters、Nature Nanotechnology、Nature Physics、Nature Photonics等著名期刊发表论文189篇，引用次数39015，H-index 57。

参考文献：

【1】Li, T., Jiang, S., Shen, B. et al. Quantum anomalous Hall effect from intertwined moiré bands. Nature 600, 641–646(2021). 

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04171-1

【2】Ma, L., Nguyen, P.X., Wang, Z. et al. Strongly correlated excitonic insulator in atomic double layers. Nature 598, 585–589 (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03947-9

【3】Li, T., Jiang, S., Li, L. et al. Continuous Mott transition in semiconductor moiré superlattices. Nature 597, 350–354 (2021).

 https://doi.org/10.1038/s41586-021-03853-0

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)，作者：高分子科学前沿