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研究背景
自發(fā)對稱性破缺和拓撲學(xué)之間的相互作用可能會導(dǎo)致奇異的物質(zhì)量子態(tài)。一個著名的例子是量子反常霍爾(QAH)態(tài)，由于固有鐵磁性，它在零磁場下表現(xiàn)出整數(shù)量子霍爾效應(yīng)。在存在強電子-電子相互作用的情況下，零磁場下的分?jǐn)?shù) QAH (FQAH)狀態(tài)可能會出現(xiàn)。這些狀態(tài)可以承載分?jǐn)?shù)激發(fā)，包括非阿貝爾任意子——拓撲量子計算的重要組成部分。
關(guān)鍵問題
1、QAH已被實驗實現(xiàn)且理論工作預(yù)測了FQAH態(tài)QAH態(tài)是 FQAH的前體，已在磁性摻雜拓撲絕緣體、本征磁性拓撲絕緣體以及石墨烯和扭曲過渡金屬二硫化物系統(tǒng)中實現(xiàn)。理論工作預(yù)測了預(yù)測了整數(shù)和分?jǐn)?shù)QAH狀態(tài)，在近4度扭曲的MoTe2同質(zhì)雙層中，在廣泛的空穴摻雜相空間中觀察到自發(fā)破壞時間反轉(zhuǎn)對稱性的電可調(diào)鐵磁態(tài).2、FQAH狀態(tài)的實驗實現(xiàn)仍然具有挑戰(zhàn)性盡管進行了廣泛的理論研究，但由于缺乏合適的物理系統(tǒng)，F(xiàn)QAH狀態(tài)的實驗實現(xiàn)仍然具有挑戰(zhàn)性。
新思路
有鑒于此，美國華盛頓大學(xué)許曉棟等人報告了扭曲MoTe2雙層膜中FQAH態(tài)的實驗特征。磁圓二色性測量揭示了在分?jǐn)?shù)孔填充的摩爾微帶處的強鐵磁狀態(tài)。利用trion光致發(fā)光作為傳感器，得到了一個Landau扇形圖，顯示了v=-2/3和-3/5鐵磁態(tài)對應(yīng)的載流子密度隨外加磁場的線性變化。這些位移分別與分?jǐn)?shù)量子霍爾電導(dǎo)為
和-
的FQAH態(tài)的Streda公式色散相匹配。這些位移與FQAH 狀態(tài)的 Streda 公式色散相匹配，其分?jǐn)?shù)量化霍爾電導(dǎo)分別為此外，v=-1狀態(tài)表現(xiàn)出與Chern數(shù)-1對應(yīng)的色散，與預(yù)測的QAH狀態(tài)一致。相比之下，電子摻雜側(cè)的幾個非鐵磁態(tài)不會分散，即是平凡的相關(guān)絕緣體。可以將觀察到的拓撲狀態(tài)電驅(qū)動為拓撲平凡狀態(tài)。該發(fā)現(xiàn)提供了長期尋求的FQAH狀態(tài)的證據(jù)，證明了MoTe2莫爾超晶格是探索分?jǐn)?shù)激發(fā)的理想平臺。
1、分析了分?jǐn)?shù)填充時的鐵磁態(tài)作者分析了PL強度圖與n和光子能量的關(guān)系，采用RMCD測量研究磁響應(yīng)，表明用于抑制鐵磁態(tài)的臨界電場Dc在部分填充絕緣態(tài)v=-2/3時增強。2、測量了拓撲不變量，觀察到了FQAH狀態(tài)作者探索了鐵磁絕緣狀態(tài)的拓撲性質(zhì)，提取了三種狀態(tài)的提取Chern數(shù)，觀測到了FQAH狀態(tài)。作者將D場設(shè)置為-250 mV/nm，通過測量PL光譜與n和μoH表明載流子密度n-1在低磁場下變得與磁場無關(guān)，溫度和電場都破壞了鐵磁態(tài)，從而破壞了FQAH態(tài)，突出了扭曲的 MoTe2 雙層的可調(diào)諧性。1、利用R堆疊MoTe2實現(xiàn)了Kane-Mele模型在 3.7° 附近的菱形堆疊MoTe2雙層樣品采用標(biāo)準(zhǔn)雙柵極幾何形狀，實現(xiàn)了 Kane-Mele 模型，在v=-1時，強交換相互作用產(chǎn)生鐵磁性，提升自旋谷簡并并實現(xiàn)具有強庫侖相互作用的霍爾丹模型。首先建立與分?jǐn)?shù)填充處的相關(guān)絕緣狀態(tài)相對應(yīng)的穩(wěn)健鐵磁性，然后展示了與v=-2/3和-3/5分?jǐn)?shù)填充狀態(tài)相關(guān)的拓撲不變量的測量，通過與Streda公式色散比較獲得FQAH狀態(tài)的證據(jù)。3、證明了可以實現(xiàn)磁性基態(tài)和帶拓撲的控制作者證明了可以通過利用晶格幾何的電場控制來打開和關(guān)閉這些FQAH狀態(tài)，從而控制磁性基態(tài)和帶拓撲。作者顯示了PL強度圖與n和光子能量的關(guān)系，PL 共振來自trion（即帶電激子）。觀察到的PL強度降低是trion數(shù)量減少的結(jié)果，相關(guān)絕緣態(tài)的形成耗盡了可用于trion形成的空穴。采用反射磁圓二色性 (RMCD)測量來研究磁響應(yīng)，非消失 RMCD 信號突出了鐵磁態(tài)的相空間，數(shù)據(jù)表明，用于抑制鐵磁態(tài)的臨界電場Dc在部分填充絕緣態(tài)v=-2/3 時增強。μoHC對相關(guān)絕緣狀態(tài)的依賴性通過RMCD磁滯回線的摻雜相關(guān)測量進一步突出。μoHC在相關(guān)絕緣狀態(tài)附近得到增強。此外，作者發(fā)現(xiàn)TC具有很強的填充依賴性。
圖 扭曲雙層MoTe2中的電可調(diào)相關(guān)鐵磁態(tài)
圖 部分填充的相關(guān)鐵磁絕緣態(tài)采用trion傳感技術(shù)來光學(xué)測量扇形圖。TMD中的激子對局部介電環(huán)境的變化非常敏感。當(dāng)相關(guān)絕緣態(tài)形成時，trion PL強度下降并且其峰值能量藍移，可以確定對應(yīng)于v=-1(n-1)和-2/3(n-2/3)狀態(tài)的載流子密度。然后測量n-1和n-2/3 作為磁場的函數(shù)，探索這些鐵磁絕緣狀態(tài)的拓撲性質(zhì)。觀察結(jié)果不同于電子摻雜側(cè)的拓撲瑣碎的相關(guān)絕緣態(tài)，符合預(yù)期提取的密度的線性擬合產(chǎn)生三種狀態(tài)的提取Chern數(shù)，與預(yù)期的Streda公式色散一致，觀測到了FQAH狀態(tài)，所有理論結(jié)果與實驗觀察結(jié)果一致。
圖 整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)的證據(jù)由于蜂窩晶格的亞晶格軌道位于扭曲雙層的相對層中，因此垂直電場的應(yīng)用打破了層簡并。這使得能夠?qū)⒊Ц駨姆涓C狀調(diào)整為由動力學(xué)反鐵磁交換相互作用主導(dǎo)的三角形晶格。因此，預(yù)計這種波紋幾何控制將從根本上改變波紋帶的拓撲特性。為了說明這個概念，作者將D場設(shè)置為-250 mV/nm，然后測量PL光譜與n和μoH。結(jié)果表明載流子密度n-1在低磁場下變得與磁場無關(guān)，表明該狀態(tài)現(xiàn)在是非色散且拓撲平凡的絕緣體。RMCD信號和鐵磁性在大 D 處消失，與觀察到的拓撲平凡狀態(tài)一致。計算表明，大電場下FQAH態(tài)的抑制主要是由于莫爾布里淵區(qū)上Berry曲率和量子幾何張量的劇烈波動的出現(xiàn)。FM狀態(tài)的D場范圍隨著溫度升高而減小，在大約4.5K的TC之上消失，給出FQAH狀態(tài)的上限。溫度和電場都破壞了鐵磁態(tài)，從而破壞了FQAH態(tài)，突出了扭曲的 MoTe2 雙層的可調(diào)諧性。
展望
總之，該工作提供了R堆疊中扭曲的MoTe2雙層中兩個FQAH狀態(tài)的實驗特征。緊接著的下一步是使用電傳輸測量直接探測拓撲特性，例如手性邊緣狀態(tài)。在過去的幾十年里，關(guān)于FQAH狀態(tài)的理論發(fā)展很多。本工作提供了一個實驗平臺，通過電場、摻雜、溫度和磁場以前所未有的可調(diào)性來測試其中的一些想法。由于可以使用圓偏振光訪問自旋谷自由度，因此還可以實現(xiàn)磁化的光學(xué)控制，從而實現(xiàn)FQAH（和QAH）狀態(tài)。更重要的是該工作指出可以將TMD莫爾超晶格的顯著特性和可調(diào)性，用于由自發(fā)對稱性破缺和強相關(guān)效應(yīng)引起的奇異拓撲階的量子工程。Cai, J., Anderson, E., Wang, C. et al. Signatures of Fractional Quantum Anomalous Hall States in Twisted MoTe2. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06289-w
