[논문 리뷰] Integer and fractional Chern insulators in twisted bilayer MoTe2

Yihang Zeng, Zhengchao Xia외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 01.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 41인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 국소 전자 압축성 및 자화학적 측정을 통해, 작은 각도로 기울인 이중층 MoTe2에서 외부 자기장이 없는 조건에서 정수 및 분수 Chern 고립체의 실현을 보여주었다. Streda 공식을 통해 고체 비율 ν=1과 ν=2/3에서 각각 Chern 수 1과 2/3를 확인하였으며, 전기장에 의해 조절 가능한 위상 전이를 관측하여 반도체 모어리 재료에서 양자화된 분수 홀 전도도 및 아핀적 통계를 실현할 길을 열었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장이 없는 반도체 모어리 시스템에서 위상적 Chern 고립체의 발생을 입증하기 위해.
• 기울인 이중층 MoTe2에서 정수 및 분수 Chern 고립상태를 식별하고 특성화하기 위해.
• Streda 공식과 자기장 의존성 있는 고체 비율 분산을 이용하여 이러한 상태의 Chern 수를 결정하기 위해.
• 이 시스템에서 전기장에 의한 조절 가능한 위상 전이를 탐색하기 위해.
• 전이 금속 디칼코스나이드 모어리 재료에서 양자화된 분수 홀 전도도 및 아핀적 진동자를 실현하기 위한 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 위상적 순서를 나타내는 비압축 상태를 식별하기 위해 국소 전자 압축성을 측정하기 위해.
• Landau 수준 유사 분산을 탐사하고 위상적 불변량을 추출하기 위해 자화학적 스펙트로스코피를 사용하기 위해.
• 고체 비율의 자기장 의존성을 바탕으로 Streda 공식을 적용하여 Chern 수를 결정하기 위해.
• 배게 게이트 전기장에 의한 전자 밀도 제어를 통해 위상 전이를 거쳐 시스템을 조절하기 위해.
• 다양한 기울기 각도와 실체 도핑 조건에서의 시스템 반응을 분석하여 위상 상태를 분리하기 위해.
• 압축성 최소값과 양자화된 홀 전도도, 시간역행 대칭성 붕괴 간의 상관관계를 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전이 금속 디칼코스나이드 모어리 시스템에서 외부 자기장이 없는 조건에서 정수 및 분수 Chern 고립체를 실현할 수 있는가?
• RQ2 기울인 이중층 MoTe2에서 관측된 위상 상태의 Chern 수는 무엇인가?
• RQ3 전기장의 적용이 시스템의 위상 전이를 어떻게 조절하는가?
• RQ4 ν=1 및 ν=2/3에서의 비압축 상태의 성격은 무엇이며, 시간역행 대칭성 붕괴와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 이 시스템의 위상적 순서는 양자화된 분수 홀 전도도 및 아핀적 통계를 지지할 수 있는가?

주요 결과

• 홀 고체 비율 ν=1 및 ν=2/3에서 비압축 상태가 나타나 위상적 순서의 존재를 시사한다.
• Streda 공식과 자기장 의존성 고체 비율 분산을 이용하여 ν=1에서 Chern 수가 1, ν=2/3에서 2/3로 결정되었다.
• 관측된 비정상적 위상 반응으로부터 시간역행 대칭성이 자발적으로 붕괴되었음을 확인하였다.
• 전기장 조절이 서로 다른 Chern 고립체 상태 사이의 위상 전이를 유도하여 위상적 순서의 조절 가능성을 보였다.
• 강건한 위상적 평탄한 밴드를 지녀 외부 자기장 없이도 분수 Chern 고립체의 발생을 가능하게 하였다.
• 이러한 발견은 기울인 MoTe2가 반도체 기반 모어리 재료에서 분수 양자 홀 효과 및 아핀적 통계를 실현하기 위한 실현 가능한 플랫폼임을 입증하였다.