[논문 리뷰] Observation of integer and fractional quantum anomalous Hall effects in twisted bilayer MoTe2

Fan Xu, Zheng Sun외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 11.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 32인용 수 64

한 줄 요약

논문은 AA 스택된 트위스티드 이중층 MoTe2에서 제로 자기장에서 정수 및 분수 양자 이상 홀 효과(IQAH 및 FQAH)의 수송 증거를 보고하며, 수직 변위 필드(D-field)로 조절 가능하고 D-field에 의해 위상적으로 자정 상태로의 전이가 유도된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 반도체 모아이어 재료에서 외부 자기장 없이 IQAH 및 FQAH 상태의 실현을 실현 의욕화한다.
• 특정 모아이어 충진(ν)에서 제로필드 양자화된 홀 전도를 증명한다(ν = -1 및 ν = -2/3).
• 비자유 상태 및 금속 상태 사이의 전자-전하 변위장(D-field) 구동 토폴로지적 상전이를 보여준다.

제안 방법

• 모아이어 충진 ν와 변위장 D를 제어할 수 있도록 듀얼 게이트를 갖춘 AA-스택 twisted bilayer MoTe2 소자를 제조한다.
• 저온에서 제로 자기장에서 ρxx, ρxy를 측정하고, σxy를 추출하기 위해 필드 반대대칭화/대칭화를 수행한다.
• 홀 전도에서 Chern 수를 추출하고 Streda 분석을 수행; 열 활성화 적합을 통해 간극을 식별한다.
• 필드-충진에 의해 유도된 전이들을 해석하기 위해 tight-binding Wannier 프록션과 Hartree-Fock 시뮬레이션을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제로 자기장에서 twisted bilayer MoTe2에서 IQAH 및 FQAH 상태가 존재할 수 있는가?
• RQ2 수직 변위 필드 D는 IQAH 및 FQAH 상태의 안정성과 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비자유 Insulator 또는 금속 상으로의 전이에서 에너지 간극과 전이 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 관측된 전도 플래토가 기대되는 Chern 수 및 Streda에서 도출된 값과 일치하는가?
• RQ5 ν = -1 및 ν = -2/3에서의 양자화 품질에 대한 불순도 및 시료 불균일성의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 제로 필드에서 e2/h의 양자 전도는 ν = -1( IQAH ) 근처와 ν = -2/3 근처에서 약 e2/h로 관찰된다(3h/2e2 근처).
• 종방향 저항은 ν = -1 및 ν = -2/3에서 뚜렷한 최소를 보이며, 이는 키랄 엣지 수송을 나타낸다.
• 홀 전도 플래토는 D의 일정 범위 내에서 지속되며, 임계 Dc(대략 ν = -1의 경우 ≈120 mV/nm, ν = -2/3의 경우 ≈15 mV/nm) 를 넘으면 소멸한다.
• 스트레다(Streda) 분석은 ν = -1에서 |C| ≈ 1, ν = -2/3에서 |C| ≈ 2/3의 Chern 수를 산출하나, 불순도에 의해 다소 편차가 있다.
• D-field는 IQAH/FQAH에서 전하이전(insulators)으로의 위상 전이와 더 큰 D에서 금속상으로의 추가 전이를 유도한다.
• ν = -1 및 ν = -2/3에서의 에너지 간극은 위상 경계 근처에서 감소하고, 이후 D에 따라 전하-이전 및 상관에 의해 구동되는 절연체로의 거동과 일치하는 방향으로 진화한다.