扭转双层InSe中时间反演不变拓扑态的真实空间观测

《Nature Communications》：Real-space observation of a time-reversal invariant topological state in twisted bilayer InSe

本刊推荐：研究团队针对二维范德华材料在扭转调控下的拓扑物态实现难题，在7.34°扭转角的InSe双层体系中，通过扫描隧道显微/谱技术首次观测到摩尔超晶格边界处的Z2拓扑金属态边缘模，证实了时间反演不变拓扑态的存在，为拓扑器件的开发提供了新平台。

　　

当两层原子级厚度的二维材料以特定角度相对旋转时，会形成周期性的摩尔条纹超晶格结构，这种被称为"扭转电子学"的新兴领域近年来引发了大量突破性发现。从魔角石墨烯中的超导态到过渡金属硫化物中的关联绝缘态，扭转工程为调控材料物性提供了全新维度。然而，在时间反演对称性保护的拓扑物态研究方面，如何在真实空间中直接观测到扭转诱导的拓扑边缘态仍是一个重大挑战。

传统拓扑绝缘体的边缘态通常存在于样品物理边界，而摩尔超晶格系统则呈现出独特的"内部边界"特征——不同堆叠区域之间形成的畴界。这种纳米尺度的拓扑边界能否承载受保护的边缘态？其特性如何受扭转角度调控？这些问题对理解摩尔拓扑物态的本质至关重要。

发表于《Nature Communications》的最新研究在这一方向取得了重要突破。中国科学院物理研究所和浙江大学等团队合作，选择硒化铟作为研究平台，该材料具有特殊的能带边缘态分布：价带顶主要来源于Se原子的p_z轨道，且由于Se原子位于外层，这些态函数显著延伸到层间区域，使其对层间扭转特别敏感。

理论研究团队通过密度泛函理论计算发现，在7.34°扭转角的双层InSe中，AA堆叠区域的价带顶能量比AB堆叠区域高0.16电子伏特，形成三角格子状的势场分布。更为关键的是，低能价带表现出有效的p轨道对称性，类似于人工构建的多轨道三角晶格模型。

当考虑自旋轨道耦合效应时，计算表明该系统呈现Z₂拓扑金属态特征——虽然存在局部能隙，但全局能隙关闭，拓扑不变量计算证实了其非平庸拓扑性质。紧束缚模型模拟进一步预测在摩尔畴边界处应存在拓扑保护的边缘态。

实验团队通过分子束外延技术在石墨烯衬底上成功制备了具有特定扭转角的双层InSe样品。扫描隧道显微镜观测清晰地展示了7.34°扭转区域形成的三角摩尔超晶格，周期为3.13纳米，与理论预测完美吻合。

研究中最引人注目的发现来自电场调控下摩尔图案的开关效应。当施加负偏压时，双层InSe台阶边缘附近的摩尔图案逐渐消失，同时晶格常数从4.04埃扩张到4.14埃。这种电场诱导的晶格重构为在纳米尺度创建可控边界提供了独特机会。

正是在这种可控边界处，扫描隧道谱测量揭示了拓扑边缘态的存在。在-1.8伏特偏压下，摩尔区域与非摩尔区域的边界处出现明显的边缘态信号，而在-2.0伏特和-2.3伏特时该信号消失。微分电导曲线显示边界处在-1.75电子伏特和-1.65电子伏特出现两个额外峰位，与理论计算的拓扑边缘态密度峰位置高度一致。

为验证边缘态的时间反演对称性保护特性，团队在外加磁场下进行了测量。结果显示即使仅施加2特斯拉的磁场，边缘态信号即被抑制，且正反磁场方向效果相同，确证了该边缘态受时间反演对称性保护的本质。

关键技术方法包括：采用分子束外延在高取向热解石墨衬底上制备扭转双层InSe样品；利用低温扫描隧道显微镜/谱进行原子级表征和电子态测量；基于密度泛函理论计算能带结构和拓扑性质；构建紧束缚模型分析边缘态特性；通过外加磁场实验验证时间反演对称性保护特性。

研究结果部分显示，理论建模表明扭转双层InSe形成有效p轨道三角晶格，在自旋轨道耦合作用下产生非平庸拓扑能带。实验观测成功验证了摩尔超晶格结构的形成，并发现电场可调控摩尔图案的开关效应。最关键的是，扫描隧道谱在摩尔边界处检测到拓扑边缘态，其能量位置与理论预测一致，且该边缘态受时间反演对称性保护。

这项研究首次在真实空间中直接观测到扭转范德华材料中的时间反演不变拓扑态，为拓扑物态研究提供了新的实验范式。研究不仅证实了二维半导体通过扭转工程实现拓扑相的可行性，还展示了电场对摩尔结构的调控能力，为开发可重构拓扑器件奠定了基础。该发现将推动更多具有类似特性的材料体系探索，如GaSe、In₂Se₃等，有望开辟拓扑物态调控的新途径。