特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（米測 技術中心）
編輯丨風云
量子自旋霍爾(QSH)絕緣體是一種二維電子材料，具有與普通絕緣體類似的體帶隙，但具有拓撲保護的相反手性的邊緣模式對。迄今為止，實驗研究僅發現整數QSH絕緣體，其每個邊緣具有反向傳播的上自旋和下自旋，導致量子化電導G0=e2/h。
有鑒于此，康奈爾大學Kin Fai Mak、Jie Shan、Kaifei Kang等人報告了2.1°扭曲雙層MoTe2中分數QSH絕緣體的輸運證據，它支持自旋Sz守恒和平坦自旋對比Chern能帶。在莫爾價帶的填充因子ν=3處，每個邊緣貢獻電導3/2G0 且反常霍爾電導率為零。該狀態可能是偶數分母3/2小數陳絕緣體的時間反轉對。此外，在ν=2、4和6時，觀察到單、雙和三QSH絕緣體，每個邊緣分別貢獻電導G0、2G0和3G0。該結果開辟了在高度可調莫爾材料中實現時間反轉對稱非阿貝爾任意子和其他意想不到的拓撲相的可能性。
器件設計和表征
作者使用雙柵極器件結構，其中頂部和底部柵極獨立控制莫爾帶填充因子ν和面外電場E。在該設計中，隧道勢壘僅出現在金屬重摻雜tMoTe2結處，在低溫下實現了低至約25?kΩ的接觸電阻，并且幾乎與通道填充因子低至ν <?1無關。在ν=3/2附近還觀察到具有弱霍爾平臺和Rsym最小值的分數Chern絕緣體。重點關注 ν?=?2、3、4和6處最突出的狀態，幾乎消失的Rxy和Rsym表明這些狀態既不是平凡帶絕緣體，也不是Chern絕緣體。在層雜化體系中，ν?=?2、3、4和6處存在邊緣主導的傳輸。
圖1 莫爾MoTe2器件和表征
整數和分數QSH絕緣子
作者進行了全面的兩端電阻測量，以驗證ν=2、3、4 和6時的邊緣通道傳輸，并確定每個邊緣對電導的貢獻。與ν=1處的Chern絕緣體類似，作者在ν?=?2、3、4 和 6 附近觀察到R2t= h/(νe2)或G2t=?νG0的近量子化平臺。所有結果都支持ν=2、3、4和6態是層雜化體系中不可壓縮的QSH絕緣體。
圖2 量化的兩端傳輸
溫度依賴性
作者通過研究QSH態的溫度依賴性來檢查它們的能級，展示了E=?0附近G2t的填充因子依賴性。ν=3、4和6處的QSH平臺分別在大約 4?K、10?K 和 6?K 上方被模糊；ν=2QSH平臺在12?K以上仍然可見，分數QSH絕緣體的間隙尺寸約為 0.3?meV。分數QSH絕緣體在不同溫度下G2t的電場依賴性表明在層雜化狀態下，電導對溫度的依賴性較弱，E<Ec；在E>Ec的層極化狀態下，G2t隨著溫度的升高而降低，表明了電場引起從分數QSH絕緣體到費米液體的轉變。
圖3 雙端非局域輸運
圖4 拓撲相變和熱激發
參考文獻：
Kang, K., Shen, B., Qiu, Y. et al. Evidence of the fractional quantum spin Hall effect in moiré MoTe2. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07214-5
