image: (a) 莫尔条纹示意图，虚线菱形代表一个超原胞，绿色箭头代表位形空间贝里曲率通量。(b) 上半部分为A、B和C区域的层间原子堆垛；下半部分中，黄色曲面为导带(C)和价带(V)边波函数在两层中的分布，箭头代表层赝自旋朝向。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近年来，各种原子级厚度的范德瓦尔斯层状材料引起了物理学和材料学界的广泛关注，包括半金属的石墨烯、绝缘的六角氮化硼和半导体的过渡金属硫族化合物等等。把两个单层材料上下堆叠，层与层之间通过范德瓦尔斯力粘合在一起，就可以组成双层同质结或异质结。两层的晶格朝向有一个小的相对转角时，会出现层间原子堆垛的长程周期性变化，即莫尔（moiré）超晶格（又叫莫尔条纹，见图a），其周期与转角成反比。在一个莫尔超原胞内部，层间原子堆垛方式呈现出的空间上的非均匀性（见图b），导致位形空间贝里相位（Berry phase）的出现。
固体材料中，准粒子的内禀结构随位置或动量的变化会产生相应的贝里相位，从而对物理性质产生深刻的影响。典型的例子是均匀晶体中的动量空间贝里相位导致的反常霍尔效应和自旋霍尔效应。位形空间非均匀的材料（例如磁性斯格明子和磁畴结构）中的电子则会受到位形空间贝里相位的影响。当准粒子在位形空间运动了一个闭合轨道时，贝里相位即为闭合轨道围成的贝里曲率（Berry curvature）通量，因此位形空间贝里曲率等效于一个磁场。准粒子经过空间上非均匀的区域时，即使没有外加磁场也会受到贝里曲率施加的洛仑兹力作用，从而产生霍尔效应。
最近，来自香港大学以及湖南师范大学的合作团队（俞弘毅、陈明星和姚望教授）在《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 发表研究论文“Giant magnetic field from moiré induced Berry phase in homobilayer semiconductors” ，指出在过渡金属硫族化合物这类二维半导体的双层同质结莫尔超晶格中，层间原子堆垛方式随位置的变化带来了一个位形空间的贝里曲率，等效于一个在空间上周期变化的超强磁场（见图a）。每个莫尔超原胞中的磁通为量子化的2π，因此等效磁场的强度可通过改变超晶格周期来调节，在一个典型的10纳米周期下可达几百特斯拉。在低掺杂的情况下，同质结的物理性质由低能量的电子或空穴决定，它们在不同区域之间的跃迁会因等效磁场的影响而携带不同的相位，从而实现了一个可产生量子自旋霍尔效应的拓扑磁通超晶格。研究同时还指出施加一个垂直层面的电场可以连续调节等效磁场的空间分布，而超原胞中的磁通则是一个量子化的值，可在一个较小的临界电场下从2π跃变到0。
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文章信息：
Giant magnetic field from moiré induced Berry phase in homobilayer semiconductors
https://doi.org/10.1093/nsr/nwz117
Journal
National Science Review