[論文レビュー] Observation of integer and fractional quantum anomalous Hall effects in twisted bilayer MoTe2

Fan Xu, Zheng Sun+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 32被引用数 64

ひとこと要約

この論文は、AA-stacked twisted bilayer MoTe2において磁場ゼロ条件で整数量子異常ホール効果（IQAH）と分数量子異常ホール効果（FQAH）の輸送証拠を報告し、垂直変位場によって調整可能、D場によるトポロジー的に自明な状態への遷移を示す。

ABSTRACT

The interplay between strong correlations and topology can lead to the emergence of intriguing quantum states of matter. One well-known example is the fractional quantum Hall effect, where exotic electron fluids with fractionally charged excitations form in partially filled Landau levels. The emergence of topological moiré flat bands provides exciting opportunities to realize the lattice analogs of both the integer and fractional quantum Hall states without the need for an external magnetic field. These states are known as the integer and fractional quantum anomalous Hall (IQAH and FQAH) states. Here, we present direct transport evidence of the existence of both IQAH and FQAH states in twisted bilayer MoTe2 (AA stacked). At zero magnetic field, we observe well-quantized Hall resistance of h/e2 around moiré filling factor ν = -1 (corresponding to one hole per moiré unit cell), and nearly-quantized Hall resistance of 3h/2e2 around ν = -2/3, respectively. Concomitantly, the longitudinal resistance exhibits distinct minima around ν = -1 and -2/3. The application of an electric field induces topological quantum phase transition from the IQAH state to a charge transfer insulator at ν = -1, and from the FQAH state to a generalized Wigner crystal state, further transitioning to a metallic state at ν = -2/3. Our study paves the way for the investigation of fractionally charged excitations and anyonic statistics at zero magnetic field based on semiconductor moiré materials.

研究の動機と目的

• 外部磁場なしで半導体モアレ材料にIQAHおよびFQAH状態を実現する動機付け。
• 特定のモアレ充填（ν = -1 および ν = -2/3）でゼロ磁場の量子化ホール伝導を実証。
• 電場-変位場（Displacement field）D による非自明と自明絶縁体状態および金属状態間のトポロジー相転移を示す。

提案手法

• モアレ充填 ν および変位場 D を制御する dual gates を備えた AA-スタック twisted bilayer MoTe2 デバイスを作製。
• 低温・ゼロ磁場での輸送（ρxx、ρxy）を測定し、場の反対称化/対称化を用いて σxy を抽出。
• ホール伝導からチェン数を抽出し、Streda 分析を用いる；熱活性化フィットでギャップを同定。
• tight-binding Wannier 投影と Hartree-Fock シミュレーションを用いて、場・充填誘起遷移を解釈。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれた bilayer MoTe2 で IQAH および FQAH 状態はゼロ磁場で存在しうるか？
• RQ2 垂直変位場 D は IQAH/FQAH 状態の安定性と性質にどのように影響するか？
• RQ3 非自明（IQAH/FQAH）と自明絶縁体または金属相の間のエネルギーギャップと遷移機構は？
• RQ4 観測された伝導プラトーは期待されるチェルン数と Streda 推定値と一致するか？
• RQ5 ν = -1 および ν = -2/3 での量子化品質における乱雑さとサンプル不均一性の役割は？

主な発見

• ゼロ磁場で e2/h の量子化ホール伝導が ν = -1（IQAH）付近および ν = -2/3 付近で約 3h/2e2 の領域で観測される。
• 縦方向の長手方向の抵抗が ν = -1 および ν = -2/3 で distinct minima を示し、 chirAL edge transport を示唆。
• ホール伝導のプラトーは D の範囲内で維持され、臨界 Dc（約120 mV/nm for ν = -1 and 約15 mV/nm for ν = -2/3）を超えると消失。
• Streda 分析は ν = -1 で |C| ≈ 1、 ν = -2/3 で |C| ≈ 2/3 のチェン数を示すが、乱雑によりいくらかの逸脱。
• D場は IQAH/FQAH から電荷転送絶縁体へ、さらに大きな D で金属状態へとトポロジー遷移を誘発。
• ν = -1 および ν = -2/3 のエネルギーギャップは相境界付近で減少し、その後 D に沿って充填・相関駆動型絶縁体と一致する挙動で進化。