Field induced Chern insulating states in twisted monolayer-bilayer graphene

Zhengwen Wang(王政文), Yingzhuo Han(韩英卓), Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Yuhang Jiang(姜宇航), and Jinhai Mao(毛金海)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (6):  067301

强关联电子体系背景下的拓扑物性研究作为当前凝聚态物理中的前沿课题之一，对于理解物质的几何拓扑属性及其与强关联相互作用具有重要意义。对于二维转角强关联体系，当电位移场调节受到限制时，具有非平庸能带结构的二维转角器件的拓扑物性将不显现。这一特性阻碍了二维转角器件中拓扑物性的研究以及新型二维拓扑材料体系的开发。

针对上述科学问题，本工作借助外加磁场成功地在转角单双层石墨烯（tMBG）中诱导出其拓扑物性，并通过载流子浓度可调的扫描隧道显微镜实现其中陈绝缘体的观测。结果表明，外加磁场作用下tMBG中首先发生金属-绝缘体相变，诱导产生关联绝缘态；关联绝缘态随磁场演化规律表明了其拓扑非平庸性（C = 1, s = 3）；并且随着磁场的进一步增大可能涌现出新的拓扑物态。这一结果说明了磁场在探索二维转角器件中关联拓扑物性中的重要作用，为揭示其中奇异拓扑物性提供了重要实验基础。

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Fig.1. (a) The sketch of our experiment setup, the electronic structure was detected from the monolayer side of tMBG. The carrier density was tuned by the back-gate voltage V_g from the doped Si substrate. (b)Gate dependent dI/dV spectra around the correlated insulating state area at B = 4.0 T. The red arrow indicates the correlated insulating state induced by magnetic field. 

Unveiling the pressure-driven metal-semiconductor-metal transition in the doped TiS₂

Jiajun Chen(陈佳骏), Xindeng Lv(吕心邓), Simin Li(李思敏), Yaqian Dan(但雅倩), Yanping Huang(黄艳萍), and Tian Cui(崔田)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (6):  067104

传统理论认为，材料在高压下通常会导致价带和导带的扩展，从而提高电导率。然而，当材料处于特定环境或者具有特殊电子结构时，压力的升高反而可能会导致电导率降低，进而引发金属-半导体-绝缘体的转变，即反Wilson相变。研究这一现象有助于深化对材料在极端条件下行为的理解，推动固体物理和材料科学的前沿发展。

本文对具有自发Ti原子掺杂的TiS₂在高压下的电输运行为进行了系统的研究，高压原位低温电阻测试表明，材料在70 GPa的压力范围内发生了奇异的金属-半导体-金属的转变。结合高压XRD测试、高压拉曼测试以及第一性原理计算，发现在17 GPa时观察到的反Wilson转变（金属-半导体）是由插层Ti原子引起的电子局域化导致的，这种电子局域化归因于掺杂的Ti原子与S原子之间耦合的增强，以及无序插层带来的Anderson局域化。当压力超过30.5 GPa时，材料因晶体结构相变再次发生金属化，相变后最可能的空间群为P2₁2₁2₁。研究结果表明，材料在足够高的压力下可能最终会经历Wilson转变。本文揭示了TiS₂在高压下的复杂电输运行为，并为理解反Wilson相变提供了新视角。

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Fig. 1. TiS₂ undergoes a transition from a metal to a semiconductor and then back to a metal under high pressure. Additionally, at the pressure point where the semiconductor-to-metal transition occurs, there is an accompanying phase change from the P-3m1 structure to the P2₁2₁2₁ structure.

Semiclassical approach to spin dynamics of a ferromagnetic S=1 chain

Chengchen Li(李承晨), Yi Cui(崔祎), Weiqiang Yu(于伟强), and Rong Yu(俞榕)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (6):  067501

低维磁性系统中的强量子涨落会导致丰富的新奇量子物态与元激发，近年来引起了凝聚态物理领域广泛的研究兴趣。本文针对准一维量子磁体NiNb₂O₆构建了有效自旋模型，运用蒙特卡洛结合分子动力学的半经典方法，计算了该模型在外加横场下的自旋动力学。研究发现，除通常的磁振子激发外，该系统有限温的纵向动力学结构因子存在两个额外的连续激发谱。分析表明，它们分别对应单、双磁振子激发模式。本文结果揭示了一类新颖的连续自旋激发谱，并对准一维磁系统自旋激发的实验探测有重要意义。

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Fig. 3. Spin excitation spectra of S_xx(q,ω) [in (a) and (c)] and S_zz(q,ω) [in (b) and (d)] at T = 0.1 for h_x = 0 (upper panels) and h_x = 1 (lower panels). The solid lines depict single magnon (spin wave) dispersion. The dash-dotted lines refer to the boundaries of the continua associated with one-magnon excitations. The dashed lines show boundaries of the two-magnon continua.

Relationship between disorder, magnetism and band topology in Mn(Sb_1-xBi_x)₂Te₄ single crystals

Ming Xi(席明) and Hechang Lei(雷和畅) Chin. Phys. B, 2024, 33 (6):  067503

近年来，具有时间反演对称性破缺和表面态能隙的本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄·(Bi₂Te₃)_n (n = 0‒3)族的发现，成为发现奇异低维量子效应的新平台。与本征反铁磁性拓扑绝缘体 MnBi₂Te₄相比，通过不同生长方法生长的同构MnSb₂Te₄可以表现出反铁磁性或铁磁性基态以及拓扑性质，因此得到广泛的研究。本文采用大温度梯度化学气相输运法生长了Mn(Sb_1-xBi_x)₂Te₄单晶样品，并研究了磁性、Mn含量以及分布随着Bi掺杂的演变。研究发现当x ≥ 0.25时，Bi–0掺杂的MnSb₂Te₄由铁磁性转变为了反铁磁性。分析表明，Mn离子在Sb/Bi位点的占据Mn_Sb/Bi以及Mn离子在Mn位点的占据Mn_Mn对这些体系的磁基态有很强的影响。随着Mn_Mn的减少和Mn_Sb/Bi的增加，体系倾向于铁磁基态。此外，当x ≤ 0.25时，T_C/N随Bi含量的增加而迅速下降，而当x > 0.25时，T_N对x不敏感，表明主要的磁相互作用可能由低Bi掺杂区的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida型转变为高Bi掺杂样品的van-Vleck型。

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Fig. 1. (a) The Mis of Mn(Sb_1-xBi_x)₂Te₄ single crystals as a function of x. (b) The dependence of T_C/N on x and carrier type for Mn(Sb_1-xBi_x)₂Te₄ single crystals obtained by different synthesis methods. (c) and (d) Content of Mn ions at the Mn site (Mn_Mn) and Mn ions at the Sb/Bi site (Mn_Sb/Bi) as a function of T_C/N of CVT-grown Mn(Sb_1-xBi_x)₂Te₄ single crystals, respectively.

Controlling the dynamic behavior of decentralized cluster through centralized approaches

Daming Yuan(袁大明), Peilong Wang(王培龙), Peng Wang(王鹏), Xingyu Ma(马星宇), Chuyun Wang(汪楚云), Jing Wang(王璟), Huaicheng Chen(陈怀城), Gao Wang(王高), and Fangfu Ye(叶方富)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (6):  060702

在人工活性物质系统领域，实现活性物质集群的灵活控制对于实验研究非常重要。然而，无论是中心化控制还是去中心化控制都存在固有的局限性，包括个体对任务的自适应性、数量规模的敏感性以及控制效率与控制准确性之间的权衡问题。为此，本文提出并验证了一种新方法，即通过个体与环境的交互作用来集中控制自组织集群的动态行为。在这个系统中，只具有相同且简单趋光规则的机器人个体可以在中央计算机的操控下共同完成一系列不同的宏观任务。中央节点根据任务要求和实时集群位置动态规划理想路径，通过环境中的光斑驱动各个机器人的运动。机器人个体可以自主处理系统产生的噪声、异常和异质性，成功完成不同复杂程度的宏观任务。

本文证明了自组织集群在基于环境相互作用的中央节点集中控制下，可以同时兼具去中心化系统的性能鲁棒性、功能多样性和环境适应性，以及中心化系统在执行宏观任务时的高效性和准确性。这为研究活性物质的动态行为操控，特别是大规模人工活性物质系统的动态行为控制，提供了一种新的技术途径和实验参考。

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Fig. 4. Experiments of robots completing complex tasks. (a1)–(a12) The robot group continuously completes the shaping and deformation of the six letters in “ROBOTS” from an initially scattered state. The starting point of the deformation for each letter is the endpoint of the preceding one. (b1)–(b3) Eight robots collaborate in transporting a target cardboard box through a narrow passage. Throughout the transportation process, the relative positions of individuals within the group remain unchanged.

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