科研成果 | 何林、任雅宁团队直接观测到双层转角WSe₂中Chern数符号反转的微观实空间证据

近日，北京师范大学物理与天文学院和高等研究院的何林/任雅宁研究团队在过渡金属硫化物转角体系的拓扑相变领域取得重要进展。他们团队利用扫描隧道显微镜（STM）在实空间直接观测到莫尔平带随转角变化发生的Chern数符号反转，揭示了层赝自旋作为调控二维材料拓扑性质的新自由度。相关研究成果以“Microscopic signatures of Chern number sign reversal in twisted bilayer WSe₂”为题发表于国际物理学权威期刊《Physical Review Letters》[1]。

近年来，过渡金属硫化物转角体系因其丰富的莫尔能带拓扑和强关联物态受到广泛关注。此前，在约3.7°的双层转角MoTe₂和约1.23°的双层转角WSe₂中，实验分别观测到了符号相反的Chern数[2-8]。这一结果暗示Chern数可能随转角发生符号反转。理论研究进一步表明，莫尔超晶格中铁电极化与压电极化之间的竞争可以驱动莫尔能带的Chern数随转角发生符号反转[9]。然而，这一转角驱动的Chern数符号反转，此前尚未在同一种过渡金属硫化物转角体系中得到直接实验验证。

针对这一问题，研究团队制备了具有连续转角变化的双层WSe₂莫尔超晶格，其局域转角从1.19°变化至1.48°（图1）。利用STM/STS的高空间分辨能力，团队系统测量了不同转角下莫尔超晶格中XM、MX等高对称堆垛区域的局域电子态，并重点探测了与拓扑平带相关的K谷电子态（图2）。

实验发现，当转角为1.19°和1.25°时，K谷平带在XM区域具有更强的局域态密度；而当转角增加至1.48°后，MX区域的信号反而增强并超过XM区域。也就是说，随着转角跨越临界区域，平带波函数在XM和MX区域之间发生了明显的空间反转。进一步对临界区域进行测量发现，在约1.42° 时，MX与XM区域之间的LDOS差异几乎消失，对应层极化趋于平衡（图2）。

这一实空间波函数重构与理论预测的层赝自旋纹理转变相一致。在双层转角WSe₂中，上下层自由度形成层赝自旋，其空间演化构成类似Skyrmion的纹理，并与莫尔平带的拓扑性质密切相关。随着转角跨越临界值，层赝自旋纹理发生改变，并对应Chern数符号的反转（图1）。

该研究首次在同一种过渡金属硫化物转角体系中，通过连续调节转角并结合STM实空间成像，直接观测到与Chern数符号反转相对应的电子波函数重构，为理论提出的转角驱动拓扑反转机制提供了实验支持。研究结果建立了转角—层赝自旋—平带波函数—Chern拓扑之间的微观联系，为理解莫尔拓扑相变以及利用转角调控新型拓扑量子态提供了新的实验依据。北京师范大学博士生吕可为论文第一作者，任雅宁副教授与何林教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划以及北京师范大学等经费的支持。

 

图1. (a) 双层转角WSe₂的结构示意图；(b) 双层转角WSe₂的层赝自旋分布随角度的变化；

(c) STM装置示意图；（d）转角连续变化的双层WSe₂区域的STM图像。

 

图2. (a)-(c)恒流模式下探测的不同转角双层WSe₂的电子态密度实空间分布图；

(d)-(f) 恒高模式下探测的不同转角双层WSe₂的电子态密度实空间分布图；

(g) 恒流模式下探测的临界角度 (1.42°) WSe₂的电子态密度实空间分布图。

 

参考文献

[1] K. Lv, Y.-N. Ren, L. He, Microscopic signatures of Chern number sign reversal in twisted bilayer WSe₂. Phys. Rev. Lett. 137, 156201 (2026). https://link.aps.org/doi/10.1103/1jks-ld4b 

[2] J. Cai et al., Signatures of fractional quantum anomalous Hall states in twisted MoTe₂, Nature 622, 63 (2023).

[3] H. Park et al., Observation of fractionally quantized anomalous Hall effect, Nature 622, 74 (2023).

[4] Y. Zeng et al., Thermodynamic evidence of fractional Chern insulator in moiré MoTe₂, Nature 622, 69 (2023).

[5] F. Xu et al., Observation of integer and fractional quantum anomalous Hall effects in twisted bilayer MoTe₂. Phys. Rev. X 13, 031037 (2023).

[6] B. A. Foutty et al., Mapping twist-tuned multiband topology in bilayer WSe₂. Science 384, 343-347 (2024).

[7] E. Thompson, et al. Microscopic signatures of topology in twisted MoTe₂. Nat. Phys. 21, 1224-1230 (2025).

[8] F. Zhang, et al. Experimental signature of layer skyrmions and implications for band topology in twisted WSe2 bilayers. Nat. Phys. 21, 1217-1223 (2025).

[9] X.-W. Zhang, C. Wang, X. Liu, Y. Fan, T. Cao, and D. Xiao, Polarization-driven band topology evolution in twisted MoTe₂ and WSe₂. Nat. Commun. 15, 4223 (2024).