[論文レビュー] Realization of the Haldane Chern insulator in a moiré lattice

Wenjin Zhao, Kaifei Kang+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 20

ひとこと要約

論文は AB-stacked MoTe2/WSe2 モアリエ二重層における Haldane Chern insulator の実験的実現を報告し、少量の平面外磁場下で C=1 の Chern insulator へと遷移する。これは一般化 Kane–Mele モデルで説明される。

ABSTRACT

The Chern insulator displays a quantized Hall effect without Landau levels. In a landmark paper in 1988, Haldane showed that a Chern insulator could be realized through complex next-nearest-neighbor hopping in a honeycomb lattice. Despite its profound impact on the field of topological physics and recent implementation in cold-atom experiments, the Haldane model has remained elusive in solid-state materials. Here, we report the experimental realization of a Haldane Chern insulator in AB-stacked MoTe2/WSe2 moiré bilayers, which form a honeycomb moiré lattice with two sublattices residing in different layers. We show that the moiré bilayer filled with two charge particles per unit cell is a quantum spin Hall (QSH) insulator with a tunable charge gap. Under a small out-of-plane magnetic field, it becomes a Chern insulator with Chern number c=1 from magneto-transport studies. The results are qualitatively captured by a generalized Kane-Mele tight-binding Hamiltonian. The Zeeman field splits the QSH insulator into two halves of opposite valley--one with a positive and the other a negative moiré band gap. Our study highlights the unique potential of semiconductor moiré materials in engineering topological lattice Hamiltonians.

研究の動機と目的

• 固体状態のモアリエ格子で実現された Haldane Chern insulator を実証する。
• ABスタックの MoTe2/WSe2 モアリエ二重層が、異なる層に二つのサブ格子をもつハニカム格子を形成することを示す。
• モアリエ単位セルあたり二つの荷電を充填するようキャリア充填を制御し、QSH状態を実現する。
• 小さな平面外磁場が、C=1 の Chern数を持つ Chern絶縁体への遷移を駆動することを実証する。
• 観察結果を一般化 Kane–Mele の tight-binding ハミルトニアンへ結びつける理論的枠組みを提供する。

提案手法

• AB-stacked MoTe2/WSe2 モアリエ二重層を作製し、ハニカムモアリエ格子を形成する。
• モアリエ単位セルあたり二つの荷電を充填するようキャリア充填を制御し、QSH状態を実現する。
• 小さな平面外磁場を印加してトポロジー転移を誘発する。
• 磁気輸送測定を一般化 Kane–Mele の tight-binding モデルで解釈する。
• QSHギャップを谷対称のギャップに分割する Zeeman場の効果を組み込む。
• モアリエ格子における Haldane様の Chern insulator の理論予測と実験的兆候を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体状態のモアリエ材料で Haldane Chern insulator を実現できるか？
• RQ2 AB-stacked MoTe2/WSe2 モアリエ二重層は、磁場下で Chern insulator へ駆動可能な tunable な QSH 相をホストするか？
• RQ3 観測されたトポロジー転移と谷依存ギャップ構造を一般化 Kane–Mele モデルが捉えられるか？
• RQ4 この系における Zeeman 分裂と谷物理が C=1 の Chern相の獲得に果たす役割は何か。

主な発見

• モアリエ二重層は、異なる層に二つのサブ格子をもつハニカム格子を形成し、単位セルあたり二つの荷電が充填されると、 tunable なギャップをもつ量子スピンホール絶縁体を示す。
• 小さな平面外磁場の下で、磁気輸送測定によって示されるように、C=1 の Chern数を持つ Chern絶縁体へと遷移する。
• Zeeman分裂と谷依存ギャップを含む一般化 Kane–Mele tight-binding ハミルトニアンによって、定性的に説明される。
• Zeeman場は QSH 状態を、反対の谷ギャップを持つ二つの半分に分割し、Chern絶縁体相を可能にする。
• 本研究の成果は、半導体モアリエ材料がトポロジカル格子ハミルトニアンを設計する可能性を示している。