Nature Physics！低温强磁场纳米精度位移台助力莫尔晶格中Haldane Chern绝缘体的实现

发布日期：2024-10-12

研究背景：

当二维电子气受到强磁场作用时会出现朗道能级，并可以观察到量子化的霍尔电。Chern绝缘体可以在没有朗道能级的情况下表现出量子化霍尔效应。理论上，这种状态可以通过在蜂窝晶格中设计复杂的次近邻跳跃来实现，即所谓的Haldane模型。尽管Haldane模型对拓扑物理领域产生了深远的影响，并且最近在冷原子实验中得到了应用，但Haldane模型尚未在固态材料中实现。

研究进展：

鉴于此，康奈尔大学的Kin Fai Mak教授和单杰教授报道了在AB堆叠MoTe₂/WSe₂莫尔双层（如下图1所示）中实现Chern 绝缘体的实验，该双层形成了蜂窝状莫尔晶格，其中两个子晶格位于不同的层中。研究表明，每个晶胞充满两个孔的莫尔双层是具有可调电荷间隙的量子自旋霍尔绝缘体。在小的面外磁场下，它成为具有有限陈数的Chern绝缘体，因为塞曼场将量子自旋霍尔绝缘体分成具有相反谷的两半：一个具有正的莫尔带，另一个具有负的莫尔带差距。他们还通过将莫尔双层接近耦合到铁磁绝缘体来展示零外部磁场下Haldane模型的实验证据。

进展概述：

对于电学测量，实验是在闭循环低温恒温器和 Bluefors LD250 稀释制冷机（12T，晶格温度 10mK）中进行的。实验中制备的双栅极 Hall bar  AB堆垛MoTe₂/WSe₂莫尔双层器件被固定在一组可在xyz方向上实现5 mm精确位移的纳米位移台上，其精确的定位是测试的核心与关键。这种精确位移得益于德国attocube 公司提供的低温强磁场纳米精度位移台（ANP101，attocube systems AG），其可在低温和强磁场环境中提供纳米级精度位移，随后采用标准的低频（10-20Hz）锁相技术，在低偏压（0.2-1mV）下测量样品电阻，以避免样品发热。使用具有 100MΩ 阻抗的电压前置放大器来测量高达约 10 MΩ 的样品电阻，记录纵向和横向电压降以及源漏电流。

对于零磁场下 Haldane 模型的实验证据部分，采用了与上述类似的双栅极器件结构，将 AB 堆叠的MoTe₂/Wse₂与CrBr₃（易轴二维铁磁绝缘体）耦合，但引入后电接触退化，因此进行磁性圆二色性（MCD）测量来探测自发时间反演对称性破缺。

图1 AB堆垛MoTe₂/Wse₂莫尔双层

图2 ν=2时的量子自旋霍尔绝缘体

图3 磁场诱导Haldane Chern绝缘体

图4 Chern绝缘体的温度依赖性

低温强磁场纳米精度位移台

attocube公司生产的位移器设计紧凑，体积小巧，种类包括线性XYZ线性位移器、大角度倾角位移器、360度旋转位移器和扫描器，并以稳定而优异的性能，原子级定位精度，纳米位移步长和厘米级位移范围受到科学家的肯定和赞誉。产品广泛应用于普通大气环境和极端环境中，包括超高真空环境(5E-11mbar)、极低温环境（10 mK）和强磁场中（31 T）。

图5 attocube低温强磁场位移器，扫描器

【参考文献】

[1]. Zhao, W., Kang, K., Zhang, Y. et al. Realization of the Haldane Chern insulator in a moiré lattice. Nat. Phys., 2024. https://doi.org/10.1038/s41567-023-02284-0