11月7日，武汉量子技术研究院吴冯成研究员团队和武汉大学合作，在物理学术期刊Physical Review X（《物理评论X》）上发表了在拓扑量子物态的理论研究上取得的新进展。论文题为“Interaction-Driven Topological Phase Diagram of Twisted Bilayer MoTe2”(“转角双层 MoTe2 中相互作用驱动的拓扑相图”)。

近年来，转角过渡金属硫族化合物所形成的摩尔超晶格成为量子模拟的一个重要平台。此前，吴冯成与合作者从理论上提出了利用该体系进行量子模拟：（1）基于异质结对强关联Hubbard模型进行量子模拟[F. Wu et al., Phys. Rev. Let.121, 026402 (2018)]，该理论预言因莫特绝缘态、维格纳超晶格、金属-绝缘体转变、重费米子态的实验发现而被证实；（2）基于同质结对拓扑能带模型进行量子模拟[F. Wu et al., Phys. Rev. Let.122, 086402 (2019)]，特别是预测了转角双层MoTe₂可以有效的实现Kane-Mele模型。近期，多个实验小组在转角双层MoTe₂中观测到了整数量子反常霍尔效应和分数量子反常霍尔效应。

转角双层MoTe₂中的三轨道模型（左图）；由多体相互作用导致的ν=1（中图）和ν=2（右图）量子相图。

吴冯成课题组对转角双层MoTe₂体系中由相互作用驱动的量子相图展开理论研究。他们将Kane-Mele模型推广到三轨道模型，此模型可以在较大的旋转角度范围内精确刻画能带的能量、对称性和拓扑性质。他们进一步利用平均场方法处理电子间的多体相互作用，绘制由空穴填充数ν、旋转角度θ和相互作用强度等调控的量子相图。研究发现，（1）当空穴填充数为1时，随着θ由1.5度变化到5度，基态分别为多铁相（自发层极化和磁性共存）、量子反常霍尔相和拓扑平庸磁性相；（2）当空穴填充数为2时，随角度增加，基态由反铁磁相转变为量子自旋霍尔相。此项工作为转角过渡金属硫族化合物同质结中的量子相研究提供了理论基础。

该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和武汉大学超算中心的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.041026