新加坡南洋理工大学（NTU）量子光学课题组（Quantum Photonics Group）高炜博教授带领团队采用MoTe2扭转双层莫尔超晶格体系，开发超低功率圆偏振光泵浦—探测（CPL Pump-Probe）技术，在零磁场下实现了整数/分数陈绝缘体的磁态（陈数）初始化与非易失性翻转操纵。团队进一步利用该技术的高空间精度与稳定可控性、原位操纵了一维拓扑畴壁的生成、移动和湮灭，为陈结（Chern Junction）器件的量子电路图案化设计与无耗散自旋电子学打开了“光学编程”的操控新路径。
北京时间2026年1月29日，上述研究成果以“Optical switching of a moiré Chern ferromagnet”为题在线发表于Nature。
诞生仅约二十年的拓扑绝缘体（Topological Insulator）因其体态绝缘、边界导电的奇特性质备受学术界和产业界青睐。而近三年该领域最令人兴奋的发现之一，莫过于在扭转MoTe2和菱方堆叠石墨平带体系里观测到了分数量子反常霍尔效应（FQAHE）及其所带来的众多零磁场下的“拓扑磁性新物态”，例如分数激发的摩尔陈铁磁体（Moiré Chern Ferromagnet）。在陈绝缘体里，磁化方向不仅是自旋/轨道磁矩“朝上还是朝下”这么简单，它直接决定了体系拓扑不变量的符号以及无耗散手性边缘电流的方向，也决定了拓扑器件的工作状态。同时，零场分数陈铁磁体，包含满足非阿贝尔统计的子态，被视为实现拓扑量子计算的重要候选平台之一。
传统铁磁体部件在使用前往往需要外部大磁场进行诱导“训练”以初始化其磁畴，摩尔陈铁磁体也不例外。然而外部磁场难以进行小型化和器件集成、操控精度低、并且往往废热严重，阻碍FQAHE与陈绝缘体在量子器件与自旋电子学上的应用。尽管其他技术路径，如电场、电流、堆叠结构与应变调控等，都被证实能在一定程度上调控材料磁序，但当研究者试图实现“更快、更精确、非接触方式”的量子物态操控时，光学手段自然而然地成为了最理想的候选：电磁波天然具备超快响应、高空间精度、偏振与波长可调谐等优势。然而，对于莫尔陈铁磁体而言，其光学磁态调控与拓扑操纵可行性尚未被证实。
第一幕：关键线索——MoTe2的“自旋-能谷锁定”给了圆偏振光一把钥匙
故事的转折点，来自过渡金属硫族化合物固有材料属性的启发：其强自旋轨道耦合使得MoTe2自旋与能谷自由度锁定，从而让右旋（σ⁺）与左旋（σ⁻）圆偏振光能分别耦合能带结构中的K与K′能谷。更重要的是，MoTe2扭转双层莫尔超晶格体系的平坦陈能带（Chern Band）兼具自旋—能谷锁定（Spin-Valley Locking）与自发时间反演对称性破缺（Spontaneous Time-Reversal Symmetry Breaking），使得光学“自旋泵浦（Spin-Pumping）”方案成为可能。这意味着圆偏振光的角动量可以被体系有选择性地吸收并转化成可累积的自旋/能谷不平衡，从而改变系统磁序。如图1所示，3.50°扭转MoTe2双层器件（双栅结构独立调控填充因子ν与面外电场D/ε₀）在零外磁场的降温过程中，微弱σ⁺或σ⁻圆偏振光照射成功选择性地诱导体系初始化为相反磁化方向的ν=-1和-2/3整数和分数陈绝缘态，并展现与传统外磁场诱导“训练”一致的相转变温度。
图1：摩尔陈铁磁体的零场光学初始化。Copyright 2026 Springer Nature
第二幕：“破局”——超低功率泵浦—探测技术实现零场磁态操控
团队设计了一个简易的泵浦—探测时序实验：先在每个循环中用σ⁻ CPL初始化，再用可调功率的σ⁺ CPL触发翻转，随后用弱探测光的磁圆二色性（RMCD）读出磁态（RMCD符号与幅度分别对应磁化方向与强度）。如图2所示，在没有σ⁺泵浦时，RMCD在ν=−1和−2/3处出现明显增强，体现关联效应促进的零场铁磁序。超低功率的σ⁺ CPL便能直接抑制、进而翻转关联铁磁态，并随功率上升至28 nW·µm⁻²而饱和。被σ⁺ CPL“写入”的磁态并不会随泵浦结束而消失，而是体现一级相变的特征。图3进一步展示了这种零场磁态操控效率还强烈依赖于泵浦光子的能量与偏振态，同时可以稳定实现重复、双向的磁态切换，说明其机制不同于逆法拉第效应（IFE）或激子辅助的交换机制。
图2：摩尔陈铁磁体的光学调控。Copyright 2026 Springer Nature
图3：光学调控的效率与鲁棒性。Copyright 2026 Springer Nature
第三幕：“One More Thing”——“光笔作画绘制” 一维拓扑畴壁
“按需设计量子物质与拓扑器件”是拓扑绝缘体和量子材料领域耕耘者期许已久、实现产业落地的宏伟目标。在莫尔陈铁磁体中，量子反常霍尔效应由陈数与无耗散手性边缘电流共同表征，而边缘电流方向由磁化方向决定。当两侧磁化相反时，拓扑数必须在畴壁处不连续变化，因此在畴壁上出现具有预设量子电导的手性通道。因此，如图4所示，这篇工作没有停留在“翻转一个整体磁化”，而是进一步利用泵浦光学技术的高空间精度与稳定可控性，在分数陈绝缘体中，通过σ⁺/σ⁻的扫描写入，把磁畴壁从左向右“推移”，从而操控陈结内边缘电流的配置，原位操纵一维拓扑畴壁的生成、移动和湮灭。
图4：分数激发一维拓扑畴壁的生成、移动和湮灭。Copyright 2026 Springer Nature
尾声：从“发现新态”到“按需设计”——“拓扑电路的光刻机”
期许未来，本文揭示的拓扑量子物质磁光相互作用启发我们在畴壁两侧可以方便地设计两种分数量子拓扑相，构造同向或反向传播、携带分数电荷的手性边缘模，其在畴壁处的相互作用将产生丰富的中性/电荷模动力学与一维拓扑重构——这些在传统分数量子霍尔体系中是难以实现的。同时，基于摩尔陈铁磁体的光学操控技术，未来有机会实现基于陈结器件的量子电路和无耗散自旋电子器件的图案化设计，宛如“拓扑电路的可编程光刻机”。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-10048-4
作者介绍：
高炜博教授目前为新加坡南洋理工大学Dieter Schwarz Endowed Professor in Quantum Sovereignty and Resilience (QUASAR)，电气与电子工程学院院长，物理系终身讲席教授。其分别于2005年和2010年获得中国科学技术大学本科和博士学位，随后加入苏黎世联邦理工进行博士后研究，2014年加入南洋理工大学物理系。其为全国百篇优秀博士论文获得者（导师潘建伟院士），2010年获欧洲玛丽居里奖，2014年获得新加坡国家研究基金会奖，2017年获得新加坡青年科学家总统奖。主要研究领域和研究兴趣是在量子信息，量子光学，凝聚态物理。他在多光子量子纠缠态，量子计算，激子物理，拓扑材料等前沿课题做出了一系列有影响力的工作，在国际知名杂志上发表了200多篇文章，包括Nature及子刊、Science Advances、Physical Review Letters等。目前担任光学领域优秀杂志Photonics Research副主编、物理学报、Chinese Physics B、Journal of Physics: Materials和Materials for Quantum Technology国际编委。
