一、研究背景

Chern絕緣體是量子霍爾態(tài)的晶格類似物，有可能在零磁場(chǎng)下表現(xiàn)出高溫拓?fù)渲刃?，從而?shí)現(xiàn)下一代拓?fù)淞孔悠骷?。迄今為止，零磁?chǎng)條件下的整數(shù)Chern絕緣體已在多個(gè)系統(tǒng)中得到實(shí)驗(yàn)證明，但分?jǐn)?shù)Chern絕緣體僅在有限磁場(chǎng)條件下的石墨烯基系統(tǒng)中得到報(bào)道。支持可調(diào)諧拓?fù)淦教箮У陌雽?dǎo)體莫爾材料的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)Chern絕緣體提供了新的機(jī)遇。

二、研究成果

在這里，美國(guó)康奈爾大學(xué)單杰教授和麥健輝教授通過(guò)結(jié)合局部電子壓縮性和磁光測(cè)量，報(bào)告了小角度扭曲雙層 MoTe2?在零磁場(chǎng)下的整數(shù)和分?jǐn)?shù)Chern絕緣體的熱力學(xué)證據(jù)。在空穴填充因子 ?=1 和 2/3 時(shí)，體系是不可壓縮的，并自發(fā)地打破了時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性。 他們從填充因子隨外加磁場(chǎng)的分散狀態(tài)證明，它們分別是整數(shù)和分?jǐn)?shù)Chern絕緣體。他們進(jìn)一步證明了涉及這些Chern絕緣體的電場(chǎng)調(diào)諧拓?fù)湎嘧?。他們的研究結(jié)果為證明量子化分?jǐn)?shù)霍爾電導(dǎo)和半導(dǎo)體莫爾材料中的任意子激發(fā)和編織鋪平了道路。相關(guān)研究工作以“Thermodynamic evidence of fractional Chern insulator in moiré MoTe2”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》上。祝賀！

三、圖文速遞

?分?jǐn)?shù)Chern絕緣體（FCIs）原則上可以承載分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)和零磁場(chǎng)下的非Abelian激元，是凝聚態(tài)物理學(xué)中備受追捧的物質(zhì)相。FCIs 的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)還可能給拓?fù)淞孔佑?jì)算等其他領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變化。但事實(shí)證明，F(xiàn)CIs 在實(shí)驗(yàn)中的實(shí)現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈儾粌H需要拓?fù)淦綆В€需要特定的量子帶幾何結(jié)構(gòu)。通過(guò)形成莫爾超晶格的帶結(jié)構(gòu)工程已成為實(shí)現(xiàn)拓?fù)淦綆У挠辛Ψ椒?。最近的一?xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)CIs可以在約5 T的溫度下穩(wěn)定在魔角扭曲雙層石墨烯中，其中磁場(chǎng)主要負(fù)責(zé)重新分配原始拓?fù)鋷У腂erry曲率。基于過(guò)渡金屬二硫族化合物（TMD）半導(dǎo)體的莫爾材料具有廣泛的可調(diào)電子特性，預(yù)計(jì)可支持具有適當(dāng)帶幾何形狀的拓?fù)淦綆?，從而有利于零磁?chǎng)下的 FCIs。

特別值得關(guān)注的是 AA 疊層類型的小角度扭曲 TMD 均雙層（圖 1a）。它們支持蜂窩狀莫爾晶格，其中兩個(gè)子晶格位于兩個(gè)不同的層中。最上層的莫爾價(jià)帶由來(lái)自單層 K 或 K' 谷的自旋谷鎖定態(tài)組成。理論研究表明，子晶格位點(diǎn)之間復(fù)雜的層間跳躍可以誘導(dǎo)出具有非零自旋/谷分辨Chern數(shù)（?）的拓?fù)淠獱杻r(jià)帶，而且在特定的扭轉(zhuǎn)角度下，最頂端的莫爾價(jià)帶（|?|=1）幾乎是平坦的，并呈現(xiàn)出平坦的Berry曲率分布。最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在很寬的填充范圍內(nèi)觀察到了鐵磁性。這表明有可能在分?jǐn)?shù)填充時(shí)穩(wěn)定 FCI。在這里，他們報(bào)告了在小角度扭曲雙層 MoTe2（tMoTe2）的零磁場(chǎng)下，觀察到 ?=1 時(shí)的整數(shù)Chern絕緣體（CI）和 ?=2/3 時(shí)的 FCI。填充因子?以莫爾單元密度（nM）為單位測(cè)量空穴摻雜密度（n），?=1 相當(dāng)于四分之一帶填充。這些態(tài)顯示了 CI 的特征。具體來(lái)說(shuō)，它們是不可壓縮的，自發(fā)地打破了時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性（TRS），摻雜密度隨外加磁場(chǎng)線性分散，并攜帶著跨越電荷間隙的軌道磁化。此外，隨著層間電勢(shì)差的增加，他們?cè)?.6 K 的實(shí)驗(yàn)表明，從整數(shù)CI到拓?fù)淙亟^緣體的拓?fù)湎嘧兪沁B續(xù)的，而FCI則變得可壓縮。

為了繪制 CI 的相圖并研究拓?fù)湎嘧?，他們測(cè)量了不可壓縮性（圖 3a）和 MCD（圖 3b）與摻雜密度和垂直電場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系。施加一個(gè)小磁場(chǎng)（20 mT）可抑制 MCD 波動(dòng)（可能來(lái)自磁疇），如圖 1c 所示。為了與靜電相圖相關(guān)聯(lián)，他們還測(cè)量了MoTe2基本層內(nèi)激子共振處的樣品反射率（圖 3c）。

強(qiáng)烈的反射表明MoTe2層中至少有一層是電荷中性的，因?yàn)閾诫s會(huì)有效地猝滅TMD中的層內(nèi)激子共振。他們用虛線分隔出兩個(gè)不同的區(qū)域。在中間區(qū)域（猝滅反射），各層是雜化的，電荷在兩層之間共享。在該區(qū)域之外（強(qiáng)反射），所有電荷都位于其中一層。扭曲雙層WSe2和其他相關(guān)TMD莫爾異質(zhì)結(jié)構(gòu)中也有類似的靜電相圖。在該器件中，由于存在內(nèi)置電場(chǎng)（來(lái)自帶有傳感器層的不對(duì)稱器件結(jié)構(gòu)），層間零電位差從E0= 0 移動(dòng)到 - 90 mV/nm。

他們將更詳細(xì)地研究電場(chǎng)調(diào)諧的拓?fù)湎嘧儭D4a和4b分別是?=1時(shí)與電場(chǎng)相關(guān)的電荷間隙和自發(fā)MCD。垂直虛線表示相界。當(dāng)|E-E0|接近邊界時(shí)，在1.6 K測(cè)得的化學(xué)勢(shì)躍遷從約6 mV下降到約5 mV的最小值，并隨著有效電場(chǎng)的進(jìn)一步增加而迅速增大。觀察到的間隙最小值表明，臨界點(diǎn)處的間隙閉合因有限溫度和/或無(wú)序而擴(kuò)大。與此相關(guān)，MCD（1.6 K）在相邊界之外迅速降低。隨著溫度的升高，MCD下降，鐵磁相空間不斷縮小。他們估計(jì)最高臨界溫度為 Tc≈ 13 K。同樣，他們?cè)趫D 4c 中顯示了可以確定 ?=2/3 狀態(tài)的化學(xué)勢(shì)躍遷。它在 FCI相為 ~ 0.6 mV，在相界之外消失。圖 4d 中的自發(fā) MCD 在相邊界之外也消失了，并隨著溫度的升高而不斷減小。臨界溫度估計(jì)為T(mén)c≈ 5 K。

四、結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)電子壓縮性和TRS斷裂的局部測(cè)量，他們證明了小角度tMoTe2在零磁場(chǎng)下的整數(shù)和分?jǐn)?shù)CI。他們還觀察到這兩種狀態(tài)在層間電勢(shì)差誘導(dǎo)下發(fā)生連續(xù)拓?fù)湎嘧兊淖C據(jù)。他們的發(fā)現(xiàn)留下了許多問(wèn)題，如FCI的性質(zhì)以及莫爾材料中的 FCI 的可能性，而這些問(wèn)題在分?jǐn)?shù)量子霍爾系統(tǒng)中并沒(méi)有類似之處。一項(xiàng)緊迫的實(shí)驗(yàn)任務(wù)是開(kāi)發(fā)與這些材料的電接觸，以進(jìn)行傳輸測(cè)量和操縱任意子激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔討?yīng)用。在本手稿的準(zhǔn)備過(guò)程中，他們了解到利用光學(xué)光譜技術(shù)報(bào)告了tMoTe2中的FCIs特征的工作，以及利用局部可壓縮性測(cè)量報(bào)告了tWSe2中的整數(shù)CIs的工作。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06452-3