[論文レビュー] Signatures of Fractional Quantum Anomalous Hall States in Twisted MoTe2 Bilayer

Jiaqi Cai, Eric Anderson+14 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、磁気円二色性および三体励起子光励起を用いて、3.7°ねじれMoTe2二層構造における分数量子異常ホール（FQAH）状態の実験的証明を提供している。外部磁場が存在しないvan der Waals異種積層構造において、ローレンツ磁場下でのキャリア密度の線形シフトが、ホール伝導度が−2/3 e²/hおよび−3/5 e²/hで量子化されているFQAH状態のStreda式と一致しており、分数量子的トポロジカル秩序の存在を確認した。

ABSTRACT

The interplay between spontaneous symmetry breaking and topology can result in exotic quantum states of matter. A celebrated example is the quantum anomalous Hall (QAH) state, which exhibits an integer quantum Hall effect at zero magnetic field thanks to its intrinsic ferromagnetism. In the presence of strong electron-electron interactions, exotic fractional-QAH (FQAH) states at zero magnetic field can emerge. These states could host fractional excitations, including non-Abelian anyons - crucial building blocks for topological quantum computation. Flat Chern bands are widely considered as a desirable venue to realize the FQAH state. For this purpose, twisted transition metal dichalcogenide homobilayers in rhombohedral stacking have recently been predicted to be a promising material platform. Here, we report experimental signatures of FQAH states in 3.7-degree twisted MoTe2 bilayer. Magnetic circular dichroism measurements reveal robust ferromagnetic states at fractionally hole filled moiré minibands. Using trion photoluminescence as a sensor, we obtain a Landau fan diagram which shows linear shifts in carrier densities corresponding to the v=-2/3 and -3/5 ferromagnetic states with applied magnetic field. These shifts match the Streda formula dispersion of FQAH states with fractionally quantized Hall conductance of -2/3$e^2/h$ and -3/5$e^2/h$, respectively. Moreover, the v=-1 state exhibits a dispersion corresponding to Chern number -1, consistent with the predicted QAH state. In comparison, several non-ferromagnetic states on the electron doping side do not disperse, i.e., are trivial correlated insulators. The observed topological states can be further electrically driven into topologically trivial states. Our findings provide clear evidence of the long-sought FQAH states, putting forward MoTe2 moiré superlattices as a fascinating platform for exploring fractional excitations.

研究の動機と目的

• 斜方積層構造を有するねじれMoTe2二層構造における分数量子異常ホール（FQAH）状態の同定および特性評価を目的とする。
• フラットなチェーンバンドにおける強い電子-電子相互作用が、外部磁場なしでFQAH状態を安定化させることを検証することを目的とする。
• 光学的および磁気的応答技術を用いて、相関絶縁状態のトポロジカル性を解明することを目的とする。
• 電気的チューニングおよび磁場応答を用いて、トポロジカルなFQAH状態と自明な相関絶縁体を区別することを目的とする。
• MoTe2のモアレスーパーラティスを、非アーベル任意粒子およびトポロジカル量子計算を実現するための実用的プラットフォームとして確立することを目的とする。

提案手法

• 磁気円二色性（MCD）を用いて、ホールドーピングされたモアレミニバンドにおける強固なフェロ磁性秩序を検出した。
• ローレンツ磁場下でのLandau準位ファン図を精密に測定するため、三体励起子光励起を感度の高いプローブとして用いた。
• 磁場下でのキャリア密度の線形シフトを測定し、ホール伝導度およびチェーン数を抽出した。
• 観測された分散を解釈するため、Streda式を適用し、ホール伝導度の分数量子化を確認した。
• 電気的ゲート制御を用いて、系をトポロジカルに自明な状態にチューニングし、観測された相のトポロジカル性を検証した。
• v = −1状態の分析により、チェーン数−1に一致する分散が得られ、通常の量子異常ホール状態の存在を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場なしで、ねじれMoTe2二層構造に分数量子異常ホール状態を実現できるか？
• RQ2 斜方積層MoTe2異種積層構造に存在するフラットなチェーンバンドが、分数量子ホール伝導度を示すFQAH状態を有するか？
• RQ3 磁場下での観測されたLandau準位ファン図が、ホール伝導度の分数量子化をどのように裏付けているか？
• RQ4 同じ系において、トポロジカルなFQAH状態と自明な相関絶縁体とはどのように区別できるか？
• RQ5 トポロジカル相を電気的に自明な状態にチューニングできるか。これにより、そのトポロジカル起源が確認されるか？

主な発見

• 磁気円二色性を用いて、モアレミニバンドにおける分数量子ホール状態のフェロ磁性が、分数量子ホール状態のフェロ磁性が観測された。
• 三体励起子光励起により、v = −2/3およびv = −3/5で、外部磁場下でのキャリア密度の線形シフトが観測され、FQAH状態のStreda式と整合的であった。
• v = −2/3およびv = −3/5におけるホール伝導度は、それぞれ−2/3 e²/hおよび−3/5 e²/hに量子化されており、分数量子化が確認された。
• v = −1状態は、チェーン数−1に一致する分散を示し、通常の量子異常ホール状態の存在が確認された。
• 電子ドーピング側の非フェロ磁性状態は、磁場依存性を示さず、自明な相関絶縁体であることが示された。
• トポロジカル状態は電気的ゲート制御により自明な状態にチューニング可能であり、そのトポロジカル性およびゲート制御に対する頑健性が実証された。