[論文レビュー] Integer and fractional Chern insulators in twisted bilayer MoTe2

Yihang Zeng, Zhengchao Xia+8 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 41被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、局所的電子圧縮率および磁気光学測定を用いて、小角度ねじれバイレイヤーMoTe2において、外部磁場をゼロにした状態で整数および分数のチェーン・インソレーターを実現することに成功した。ストレダの公式を用いて、それぞれの充填因子ν=1およびν=2/3において、チェーン数が1および2/3であることを同定した。また、電場によるチューニングが可能なトポロジカル位相遷移を観測し、半導体モアレ材料における整数量子ホール伝導度および任意統計の実現に道筋を示した。

ABSTRACT

Chern insulators, which are the lattice analogs of the quantum Hall states, can potentially manifest high-temperature topological orders at zero magnetic field to enable next-generation topological quantum devices. To date, integer Chern insulators have been experimentally demonstrated in several systems at zero magnetic field, but fractional Chern insulators have been reported only in graphene-based systems under a finite magnetic field. The emergence of semiconductor moiré materials, which support tunable topological flat bands, opens a new opportunity to realize fractional Chern insulators. Here, we report the observation of both integer and fractional Chern insulators at zero magnetic field in small-angle twisted bilayer MoTe2 by combining the local electronic compressibility and magneto-optical measurements. At hole filling factor ν=1 and 2/3, the system is incompressible and spontaneously breaks time reversal symmetry. We determine the Chern number to be 1 and 2/3 for the ν=1 and ν=2/3 gaps, respectively, from their dispersion in filling factor with applied magnetic field using the Streda formula. We further demonstrate electric-field-tuned topological phase transitions involving the Chern insulators. Our findings pave the way for demonstration of quantized fractional Hall conductance and anyonic excitation and braiding in semiconductor moiré materials.

研究の動機と目的

• 外部磁場を必要としない半導体モアレ系において、トポロジカルなチェーン・インソレーターの出現を実証すること。
• ねじれバイレイヤーMoTe2における整数および分数のチェーン・インソレーティング状態の同定および特徴付けを行うこと。
• ストレダの公式および磁場依存の充填因子分散を用いて、これらの状態のチェーン数を特定すること。
• この系における電場によるチューニング可能なトポロジカル位相遷移を調査すること。
• 遷移金属ジカルコゲナイドのモアレ材料において、整数量子ホール伝導度および任意統計励起状態を実現する基盤を構築すること。

提案手法

• トポロジカル秩序を示す不圧縮状態を同定するための局所的電子圧縮率の測定。
• ランダウ準位に類似した分散をプローブし、トポロジカル不変量を抽出するために磁気光学分光法の使用。
• 磁場依存の充填因子からチェーン数を決定するためのストレダの公式の適用。
• バックゲート電場による電子密度の制御を用いて、トポロジカル位相遷移を跨ぐチューニング。
• さまざまなねじれ角およびキャリアドーピングの下での系の応答を分析し、トポロジカル状態を分離すること。
• 圧縮率の極小値と整数量子ホール伝導度、時間反転対称性の破れの相関を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遷移金属ジカルコゲナイドのモアレ系において、外部磁場をゼロにした状態で整数および分数のチェーン・インソレーターを実現できるか？
• RQ2 ねじれバイレイヤーMoTe2における観測されたトポロジカル状態のチェーン数は何か？
• RQ3 電場の適用がこの系におけるトポロジカル位相遷移をどのようにチューニングするか？
• RQ4 ν=1およびν=2/3における不圧縮状態の性質は何か。また、時間反転対称性の破れとどのように関係しているか？
• RQ5 この系におけるトポロジカル秩序は、整数量子ホール伝導度および任意統計を支持できるか？

主な発見

• ホール充填因子ν=1およびν=2/3において、不圧縮状態を示すことで、トポロジカル秩序の存在を示している。
• ストレダの公式および磁場依存の充填因子分散を用いて、ν=1ではチェーン数が1、ν=2/3では2/3であると特定された。
• 時間反転対称性が、観測された非自明なトポロジカル応答により、ν=1およびν=2/3状態で自発的に破れていることが確認された。
• 電場によるチューニングが、異なるチェーン・インソレーター状態間のトポロジカル位相遷移を引き起こし、トポロジカル秩序のチューナビリティを示した。
• この系は、外部磁場がなくても強固なトポロジカルフラットバンドを支持しており、これにより分数のチェーン・インソレーターの出現が可能となった。
• 本研究の結果は、半導体ベースのモアレ材料において、分数量子ホール効果および任意統計励起状態を実現するための実用的基盤を、ねじれMoTe2が提供することを確立した。