莫尔超晶格是一类新兴的人工量子超材料，其为能带调控、光和物质相互作用、以及全新的物理现象和器件架构提供了可能。例如，莫尔超晶格中形成的平带可极大增强电子关联相互作用，导致众多新奇的拓扑和关联电子态：莫特绝缘态、激子绝缘体、铁电序、魏格纳晶态、非常规超导、轨道磁性和分数量子反常霍尔效应等。虽然在过去5年左右的时间里，人们已经以前所未有的速度见证了丰富多样的新奇莫尔电子、光电子特性，但到目前为止，这些莫尔物态的实现通常需要液氦低温条件，这对其基本物态的探测和未来实际应用都造成了巨大的困难。

　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N07课题组的吴帆帆博士在杜罗军特聘研究员、杨威特聘研究员、张广宇研究员的指导下，基于课题组外延生长的高品质单晶薄膜（Nano Lett. 2020; 20: 7193; Natl. Sci. Rev. 2022; 9: nwac077），构筑了能带本征对其的高质量转角（～57.5°）双层二硫化钼莫尔超晶格器件。通过变温输运测量，在莫尔平带1/4、2/4、3/4填充处，观察到了电子关联导致的关联绝缘态，揭示了层杂化的SU(4) 量子模拟器。更重要的是，对于莫尔平带1/4填充的关联绝缘态，实现了目前为止最大的关联能隙 (～126 meV)，并首次阐明了室温下的莫尔关联物态。通过与松山湖材料实验室的冼乐德研究员、徐巧玲博士理论合作，阐明我们观察到的室温关联绝缘态可能是因为原子重构和共振层间杂化增强协同导致的。基于转角双层二硫化钼莫尔超晶格中强的电子关联和室温关联绝缘态，进一步实现了室温非线性霍尔效应，揭示了莫尔平带的量子几何特性。

　　不同于石墨烯，二硫化钼的子晶格对称性是破缺的。因此，可以预期堆垛对莫尔关联效应有比较大的影响。为了验证堆垛效应，进一步制备了两种不同堆垛的转角器件：AA堆垛（转角2.5°附近）和AB堆垛（转角57.5°附近）。实验测量表明，莫尔关联绝缘态只出现在AB堆垛的转角双层二硫化钼中，而AA堆垛的转角双层二硫化钼没有任何电子关联迹象，阐明了在子晶格对称破缺的体系中，堆垛对莫尔关联效应的有效调控。

　　此外，我们发现，虽然AA堆垛的转角双层二硫化钼没有电子关联，但具有新奇的滑移铁电特性。于是通过进一步构筑了同时包含AA堆垛和AB堆垛的转角四层二硫化钼器件，实现了AB堆垛中关联绝缘态和AA堆垛中滑移铁电序的耦合，阐明了莫尔体系不同拓扑和关联电子态之间耦合的可能性，为实现全新的耦合莫尔物性提供了可能。

　　相关成果以“Giant Correlated Gap and Possible Room-Temperature Correlated States in Twisted Bilayer MoS2”和“Coupled Ferroelectricity and Correlated States in a Twisted Quadrilayer MoS2 Moiré Superlattice”为题分别发表在Physical Review Letters 131, 256201 (2023)和Chinese Physics Letters 40, 047303 (2023) (Express Letter)。该工作得到了国家自然科学基金委，科技部重点研发计划，中国科学院先导B等项目的资助。

图1 转角双层二硫化钼在莫尔平带1/4、2/4、3/4填充处的关联绝缘态

图2  巨大的关联能隙和室温关联绝缘态的证据