轉角雙層InSe中實現時間反演不變拓撲態 | 進展

在二維范德瓦耳斯材料中，層間微小轉角可形成周期性的莫爾超晶格，重塑能帶結構并孕育平帶超導、強關聯電子態和量子反常霍爾效應，催生了“轉角電子學”研究。理論上，二維體系可在時間反演對稱性保護下形成具有非平庸Z?拓撲不變量的量子自旋霍爾態（QSH），其邊界具無耗散自旋手性通道，是拓撲量子器件與容錯量子計算的基礎。盡管InAs/GaSb量子阱和1T’-WTe?中已實現QSH效應，但基于莫爾調控、保持時間反演對稱性的轉角體系中實現QSH絕緣體仍是未解的前沿難題。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF09組長期關注二維材料異質結生長以及莫爾物性的調控，比如在二維范德華范德瓦耳斯層狀半導體InSe中發現隨層數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一步與浙江大學的陸赟豪教授合作，通過第一性原理與緊束縛模型計算發現，InSe的價帶頂主要由Se-pz軌道貢獻，這些軌道在層間具有強耦合特性。而在雙層InSe的莫爾超晶格中，AA堆疊區域的價帶能量高于AB堆疊區域，從而構成有效的周期勢阱。該莫爾超晶格可等效描述為一個類p軌道的三角晶格模型，在自旋軌道耦合作用下，使得價帶具有Z?拓撲性，而且莫爾疇界處將出現受時間反演對稱性保護的拓撲邊緣態。

實驗上，研究團隊在超高真空條件下生長出扭轉角為7.34°的雙層InSe，并在莫爾疇界處利用STS成像清晰觀測到邊緣電子態，且其空間分布呈指數衰減，表明該邊緣態態局域于莫爾疇邊界，且其能量位置與理論完全吻合。進一步施加外加磁場發現該邊緣態會消失，證實其受時間反演對稱性保護，具有拓撲本征特征。

該研究首次在二維范德瓦耳斯半導體中實現了時間反演不變拓撲態，并在原子尺度下同過實空間觀測證實，揭示了通過轉角調控莫爾超晶格電子結構實現拓撲量子態的新機制。研究成果為構建基于二維半導體的拓撲器件（如可調型拓撲場效應晶體管）提供了重要物理基礎，也為探索層間調控二維拓撲材料體系開辟了新方向，在扭轉電子學中開啟了研究拓撲量子相的新篇章。

圖1 轉角雙層InSe的拓撲邊緣態

相關工作以“Real-space observation of a time-reversal invariant topological state in twisted bilayer InSe”為題發表在Nature Communications 16,9453 (2025)。物理所博士生田大鋮，浙江大學博士生陶圣旦、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的陸赟豪教授為論文通訊作者。該工作的磁場實驗在物理所懷柔綜合極端條件實驗裝置上完成，并得到了博士生張峻銘和魏忠旭副研究員的幫助。該項研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、中國科學院青年科學家基礎研究項目及中國博士后科學基金等的資助。

編輯：夜凌Ryelin