Topological mosaics in moiré superlattices of van der Waals heterobilayers

超晶格 范德瓦尔斯力 拓扑绝缘体 凝聚态物理 云纹 异质结 拓扑(电路) 物理 格子(音乐) 材料科学 光学 分子 量子力学 声学 数学 组合数学
作者
Qingjun Tong,Hongyi Yu,Qizhong Zhu,Yong Wang,Xiaodong Xu,Wang Yao
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:13 (4): 356-362 被引量:271
标识
DOI:10.1038/nphys3968
摘要

Van der Waals (vdW) heterostructures formed by 2D atomic crystals provide a powerful approach towards designer condensed matter systems. Incommensurate heterobilayers with small twisting and/or lattice mismatch lead to the interesting concept of Moir\'e superlattice, where the atomic registry is locally indistinguishable from commensurate bilayers but has local-to-local variation over long range. Here we show that such Moir\'e superlattice can lead to periodic modulation of local topological order in vdW heterobilayers formed by two massive Dirac materials. By tuning the vdW heterojunction from normal to the inverted type-II regime via an interlayer bias, the commensurate heterobilayer can become a topological insulator (TI), depending on the interlayer hybridization controlled by the atomic registry between the vdW layers. This results in mosaic pattern of TI regions and normal insulator (NI) regions in Moir\'e superlattices, where topologically protected helical modes exist at the TI/NI phase boundaries. By using symmetry based k.p and tight-binding models, we predict that this topological phenomenon can be present in inverted transition metal dichalcogenides heterobilayers. Our work points to a new means of realizing programmable and electrically switchable topological superstructures from 2D arrays of TI nano-dots to 1D arrays of TI nano-stripes.
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