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首次在莫尔近藤晶格中发现陈金属，为探索新奇量子物态开辟新路径！

近年来，二维莫尔材料凭借其高度可调控的电子结构，成为探索强关联量子物态的重要平台。其中，近藤晶格体系因局域磁矩与巡游电子之间的相互作用，能够产生重费米液体等奇特量子现象，备受研究人员关注。理论研究预测，当几何阻挫、近藤相互作用与能带拓扑相互耦合时，体系可能形成一种兼具金属导电特征与手性边缘态的特殊物态——陈金属（Chern metal）。然而，与常规陈绝缘体不同，这种量子态既允许电子在材料内部传输，又具有拓扑边缘输运特征，其独立形成机制及实验存在性始终缺乏直接证据。

今日，康奈尔大学的麦健辉（Kin Fai Mak）教授、单杰教授和Wenjin Zhao利用角度对齐的MoTe₂/WSe₂莫尔双层异质结构，在磁场诱导的近藤效应瓦解附近观察到陈金属态。这一状态表现出接近量子化的霍尔电阻和有限的纵向电阻，并通过非局域输运、偏置电流调控及磁圆二色性测量，揭示了手性边缘态、磁化平台和变磁性转变等关键特征。该成果为理解强关联电子体系中的拓扑物态提供了新的实验依据。相关成果以“Emergence of Chern metal in a moiré Kondo lattice”为题发表在《Science》上，Wenjin Zhao、Zui Tao和Yichi Zhang为共同第一作者。

据不完全统计，麦健辉（Kin Fai Mak）教授和单杰教授合作的第12篇正刊。

单杰教授（左）和麦健辉教授（右）

构筑可调控的莫尔近藤晶格

为了寻找这一特殊量子态，研究团队首先构建了由MoTe₂和WSe₂组成的双层莫尔异质结构。如图1a所示，两种二维材料通过层间堆叠形成周期性莫尔结构，并利用上下双栅极独立调节载流子填充数和垂直电场。由于两层材料之间存在约7%的晶格失配，体系形成周期约为5 nm的莫尔超晶格。其中，MoTe₂和WSe₂中的电子轨道分别占据蜂窝晶格的两个子晶格位置（图1b），为研究局域磁矩与巡游载流子的相互作用提供了基础。更重要的是，研究人员能够通过电场改变两层材料的能带相对位置（图1c）。在合适的电场范围内，MoTe₂层中的局域磁矩与WSe₂层中的巡游空穴发生近藤耦合，从而形成可调控的近藤晶格。理论相图进一步表明，随着磁场改变，体系可能经历从重费米液体到轻费米液体的转变，而陈金属有望出现在近藤瓦解的临界区域附近（图1d）。这为后续实验寻找目标物态指明了方向。

图1：可调控的莫尔近藤晶格及理论相图。

发现兼具金属与拓扑特征的新物态

研究团队通过低温电输运测量，系统考察了不同电场、载流子浓度和磁场条件下的电子行为。在零磁场下，体系主要表现出已知的陈绝缘体和近藤关联状态（图2a）。当施加3 T垂直磁场后，霍尔电阻图中出现一条明显的弧形高响应区域，同时伴随纵向电阻下降（图2b），暗示体系中形成了不同于普通金属的电子态。进一步改变载流子浓度和磁场，研究人员发现，这一特殊区域紧邻近藤瓦解临界边界（图2c）。在WSe₂层填充因子x=0.08时，霍尔电阻在0.5—3 T范围内形成约24 kΩ的平台，接近量子化霍尔电阻h/e²，而纵向电阻仍保持约2 kΩ（图2d）。这意味着体系一方面具有接近量子化的霍尔响应，另一方面仍允许体内导电，呈现出陈金属预期的关键特征。

图2：陈金属态的实验发现。

温度实验进一步确认陈金属特征

这种特殊状态是否只是普通量子霍尔效应的表现？为回答这一问题，研究团队进一步考察了其温度依赖性。如图3a、b所示，随着温度降低，x≈0.08附近的霍尔电阻峰逐渐增强，而纵向电阻谷也愈发明显。该状态在约2 K以下开始显现，并在0.5 K以下趋于稳定。相比之下，常规陈绝缘体具有严格量子化的霍尔电阻和接近零的纵向电阻，而新发现的状态始终保留有限的纵向电阻（图3c）。进一步的电导率分析表明，该状态的体内纵向电导率低于e²/h，呈现出一种导电能力较弱的金属特征（图3d）。结合其可压缩性和磁场演化规律，研究人员排除了普通量子霍尔态及简单掺杂陈绝缘体的解释，认为这些结果与同时具有手性边缘态和弱金属性体态的陈金属高度一致。

图3：陈金属态的温度依赖性。

手性边缘态提供关键实验证据

仅凭电阻变化还不足以确认陈金属的拓扑特征，关键在于证明其内部存在手性边缘输运。为此，研究团队首先通过施加直流偏置电流，观察这一特殊状态的稳定性。实验发现，随着电流增加，陈金属的霍尔电阻平台和纵向电阻谷迅速减弱（图4a）。当电流超过约20 nA时，这些特征基本消失，而普通金属没有表现出类似变化（图4b）。这种行为与量子反常霍尔态中手性边缘输运被电流破坏的现象相似。随后，研究人员设计了非局域输运实验，通过沿器件边缘布置多个电极，测量远离电流注入位置的电压响应（图4c）。结果显示，普通金属的非局域电阻随距离快速衰减，陈绝缘体则基本保持不变，而陈金属介于两者之间，表现出缓慢衰减的特征，并对磁场方向十分敏感（图4d）。理论模拟与实验结果良好吻合，进一步支持了陈金属中手性边缘态与体内金属导电通道共存的判断。

图4：陈金属中的手性边缘态输运。

磁化平台揭示近藤瓦解附近的新行为

在确认电输运特征后，研究团队进一步借助磁圆二色性（MCD）技术，探索陈金属与局域磁矩之间的联系。如图5a所示，在一定载流子填充范围内，随着磁场增强，磁圆二色性信号并非持续平滑增加，而是在约2—5 T范围内出现较弱的平台。进一步分析信号对磁场的变化率发现，该平台对应微分磁响应的谷值，而随后出现的峰值则与近藤瓦解临界磁场密切相关（图5b、c）。这一结果表明，陈金属区域可能存在自旋能隙，而近藤瓦解附近可能发生变磁性转变。这些磁学特征不仅与电输运测量相互印证，也暗示近藤瓦解可能是一种真正的量子相变，而非简单、平滑的电子态演化。不过，相关自旋结构及相变性质仍有待进一步验证。

图5：近藤瓦解附近的磁化平台与变磁性转变。

小结

综上所述，该研究通过构筑可调控的MoTe₂/WSe₂莫尔近藤晶格，在磁场诱导的近藤瓦解附近获得了陈金属存在的系统实验证据，并揭示了手性边缘输运、弱金属性体态及特殊磁响应之间的联系。这一发现将拓扑量子态的研究从传统绝缘体系拓展至强关联金属体系，为探索近藤相互作用与能带拓扑之间的复杂关系提供了新平台。未来，陈金属的微观形成机制、其与手性自旋液体及自旋极化子之间的关系，以及零磁场条件下能否实现类似量子态，仍是值得深入研究的重要方向。