康奈尔大学的研究人员现在只需稍微转动一下电压旋钮，就可以证明一种单一材料系统可以在凝聚态物理学中两种最狂野的状态之间进行切换：量子反常霍尔绝缘体和二维拓扑绝缘体。通过这样做，他们实现了一个十多年前首次提出的且难以捉摸的模型，但由于似乎不存在合适的材料，科学家们从未能够证明这一模型。现在研究人员已经创建出正确的平台，他们的突破可能会导致量子设备的进步。

该研究团队的论文“来自交织Moiré条纹的量子反常霍尔效应”于12月22日发表在《自然》杂志上。共同主要作者是康奈尔大学的前博士后研究员Tingxin Li和Shengwei Jiang，博士生Bowen Shen和麻省理工学院研究员Yang Zhang。该项目是康奈尔大学文理学院物理学副教授Kin Fai Mak和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，他们是该论文的共同高级作者。

他们的实验室专门研究二维量子材料的电子特性，通常是通过堆叠超薄的单层半导体薄膜，并使它们稍微扭曲重叠产生Moiré晶格图案。在那里，电子可以被沉积并相互作用，会表现出一系列的量子行为。

对于这个新项目，研究人员将二碲化钼(MoTe2)与二硒化钨(WSe2)配对，将它们以180度的角度扭转，形成一种被称为AB堆积的结构。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，该现象于19世纪后期首次被观察到，其中的电流流过样品，然后被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的版本，其中施加了更大的磁场，并引发了更奇怪的现象：大块样品的内部变成了绝缘体，而且电流沿着外沿朝单一方向移动，电阻量化为由宇宙中基本常数来定义的值，并且不用考虑材料的细节。2013年首次发现的量子反常霍尔绝缘体实现了相同的效果，但没有任何磁场的干预，电子沿着边缘高速行驶，就像在高速公路上一样，没有耗散能量，有点像超导体。

Mak说：“很长一段时间以来，人们认为量子霍尔效应需要磁场，但实际上并不需要。那么是什么代替了磁场的作用？后面知道原来是磁性。你必须让材料具有磁性。”

MoTe2/WSe2堆积现在加入了少数已知的量子反常霍尔绝缘体材料的行列。但这只是其吸引力的一半。研究人员发现，通过简单地调整电压，他们就可以把半导体堆积变成二维拓扑绝缘体，这种绝缘体与量子反常霍尔绝缘体类似，只不过它是存在重复的。在一个“副本”中，电子高速公路围绕边缘顺时针流动，而在另一个“副本”中，则逆时针流动。这两种物质状态以前从未在同一个系统中得到证明过。

在与麻省理工学院由Liang Fu领导的合作者协商后，康奈尔大学团队得知他们的实验已经实现了石墨烯玩具模型，这种模型由宾夕法尼亚大学的物理学教授Charles Kane和Eugene Mele于2005年首次提出。Kane-Mele模型是二维拓扑绝缘体的第一个理论模型。

Mak说：“这对我们来说是一个惊喜。我们刚刚制作了这种材料并进行了测量。我们看到了量子反常霍尔效应和二维拓扑绝缘体……然后我们和在麻省理工学院做理论的朋友Liang Fu谈了谈。他们进行了计算，发现这一材料实际上实现了一个长期以来备受追捧的凝聚态模型。我们没想到会这样。”

与石墨烯Moiré材料一样，MoTe2/WSe2可以在一系列量子态之间进行切换，包括从金属过渡到莫特绝缘体的转变。该团队在去年9月份的《自然》杂志上报道的一项发现。

现在，Mak和Shan的实验室正在研究这种材料的全部潜力，方法是将其与超导体耦合并使用它来构建量子反常霍尔干涉仪，这两种仪器都可以用来制作量子比特，这是量子计算的基本单元。Mak还希望他们能找到一种方法来显着提高发生量子反常霍尔效应的温度(大约为2开尔文)，从而产生高温无耗散的导体。（编译:Qtech）