A quantum spin Hall (QSH) insulator is a novel two-dimensional quantum state of matter that features quantized Hall conductance in the absence of magnetic field, resulting from topologically protected dissipationless edge states that bridge the energy gap opened by band inversion and strong spin-orbit coupling. By investigating electronic structure of epitaxially grown monolayer 1T'-WTe2 using angle-resolved photoemission (ARPES) and first principle calculations, we observe clear signatures of the topological band inversion and the band gap opening, which are the hallmarks of a QSH state. Scanning tunneling microscopy measurements further confirm the correct crystal structure and the existence of a bulk band gap, and provide evidence for a modified electronic structure near the edge that is consistent with the expectations for a QSH insulator. Our results establish monolayer 1T'-WTe2 as a new class of QSH insulator with large band gap in a robust two-dimensional materials family of transition metal dichalcogenides (TMDCs).

In narrow electron bands in which the Coulomb interaction energy becomes comparable to the bandwidth, interactions can drive new quantum phases. Such flat bands in twisted graphene-based systems result in correlated insulator, superconducting and topological states. Here we report evidence of low-energy flat bands in twisted bilayer WSe2, with signatures of collective phases observed over twist angles that range from 4 to 5.1°. At half-band filling, a correlated insulator appeared that is tunable with both twist angle and displacement field. At a 5.1° twist, zero-resistance pockets were observed on doping away from half filling at temperatures below 3 K, which indicates a possible transition to a superconducting state. The observation of tunable collective phases in a simple band, which hosts only two holes per unit cell at full filling, establishes twisted bilayer transition metal dichalcogenides as an ideal platform to study correlated physics in two dimensions on a triangular lattice. Tunable correlated states are observed in twist bilayer WSe2 over a range of twist angles, with signatures of superconductivity for a twist of 5.1°.

Twisted van der Waals heterostructures have latterly received prominent attention for their many remarkable experimental properties, and the promise that they hold for realising elusive states of matter in the laboratory. We propose that these systems can, in fact, be used as a robust quantum simulation platform that enables the study of strongly correlated physics and topology in quantum materials. Among the features that make these materials a versatile toolbox are the tunability of their properties through readily accessible external parameters such as gating, straining, packing and twist angle; the feasibility to realize and control a large number of fundamental many-body quantum models relevant in the field of condensed-matter physics; and finally, the availability of experimental readout protocols that directly map their rich phase diagrams in and out of equilibrium. This general framework makes it possible to robustly realize and functionalize new phases of matter in a modular fashion, thus broadening the landscape of accessible physics and holding promise for future technological applications.

The control of physical properties of solids with short laser pulses is an intriguing prospect of ultrafast materials science. Continuous-wave high-frequency laser driving with circular polarization was predicted to induce a light-matter coupled new state possessing a quasi-static band structure with an energy gap and a quantum Hall effect, coined "Floquet topological insulator". Whereas the envisioned Floquet topological insulator requires well separated Floquet bands and therefore high-frequency pumping, a natural follow-up question regards the creation of Floquet-like states in graphene with realistic pump laser pulses. Here we predict that with short low-frequency laser pulses attainable in pump-probe experiments, states with local spectral gaps at the Dirac points and novel pseudospin textures can be achieved in graphene using circular light polarization. We demonstrate that time- and angle-resolved photoemission spectroscopy can track these states by measuring sizeable energy gaps and quasi-Floquet energy bands that form on femtosecond time scales. By analyzing Floquet energy level crossings and snapshots of pseudospin textures near the Dirac points, we identify transitions to new states with optically induced nontrivial changes of sublattice mixing that can lead to Berry curvature corrections of electrical transport and magnetization.