[논문 리뷰] Signatures of Fractional Quantum Anomalous Hall States in Twisted MoTe2 Bilayer

Jiaqi Cai, Eric Anderson외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 17.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 3.7° 기울인 MoTe2 이중층에서 자성 원형 분광법과 트리온 광발광을 통해 외부 자기장이 없는 조건에서도 분수형 양자 이상 홀 상태(FQAH)의 실험적 증거를 제공한다. 자기장에 따른 실현 전하 밀도의 선형 이동은 FQAH 상태에서 양자화된 홀 전도도 −2/3 e²/h 및 −3/5 e²/h를 가지며, 스토프라 공식과 일치하여 반데르발스 이종구조에서 분수형 위상적 질서가 존재함을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 삼각형 배열으로 배열된 MoTe2 이중층에서 분수형 양자 이상 홀(FQAH) 상태를 식별하고 특성화하는 것.
• 평탄한 체르너 밴드에서 강한 전자-전자 상호작용이 외부 자기장이 없는 조건에서 FQAH 상태를 안정화시킬 수 있는지 확인하는 것.
• 광학적 및 자성 반응 기법을 활용하여 상관관계가 있는 절연 상태의 위상적 성질을 탐구하는 것.
• 전기적 조절성과 자기장 반응을 통해 위상적 FQAH 상태와 평범한 상관관계 절연체를 구별하는 것.
• MoTe2 모레 구조를 비아벨 anyon과 위상적 양자 계산을 위한 실현 가능한 플랫폼으로 설정하는 것.

제안 방법

• 홀 도핑된 모레 마이크로밴드에서 강력한 강자성 질서를 탐지하기 위해 자성 원형 분광법(MCD)을 사용하였다.
• 적용된 자기장 하에서 Landau 수준 fan 다이어그램을 감지하기 위해 트리온 광발광을 민감한 탐사 수 Mittel로 사용하였다.
• 자기장에 따른 전하 밀도의 선형 이동을 측정하여 홀 전도도와 체르너 수를 추출하였다.
• 관측된 분산을 해석하고 분수형 양자화된 홀 전도도를 확인하기 위해 스토프라 공식을 적용하였다.
• 전기적 게이팅을 통해 시스템을 위상적 평탄한 상태로 조절하여 관측된 상의 위상적 성질을 검증하였다.
• v = −1 상태를 분석하여 체르너 수 −1을 가진 전통적인 양자 이상 홀 상태가 존재함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장이 없는 조건에서 기울인 MoTe2 이중층에서 분수형 양자 이상 홀 상태를 실현할 수 있는가?
• RQ2 삼각형 배열로 배열된 MoTe2 이종구조의 평탄한 체르너 밴드가 분수형 홀 전도도를 가지는 FQAH 상태를 수용하는가?
• RQ3 자기장 하에서 관측된 Landau 수준 fan 다이어그램이 분수형 양자화된 홀 전도도를 어떻게 확인하는가?
• RQ4 동일한 시스템에서 위상적 FQAH 상태와 평범한 상관관계 절연체는 무엇으로 구별되는가?
• RQ5 위상적 상이 전기적으로 평탄한 상태로 조절될 수 있으며, 이는 그 위상적 기원을 확인하는가?

주요 결과

• 자성 원형 분광법을 통해 모레 마이크로밴드의 분수형 홀 충만도에서 강력한 강자성 상태를 관측하였다.
• 트리온 광발광을 통해 v = −2/3 및 v = −3/5에서 적용된 자기장에 따른 전하 밀도의 선형 이동을 확인하였으며, 이는 FQAH 상태의 스토프라 공식과 일치한다.
• v = −2/3 및 v = −3/5에서 홀 전도도는 각각 −2/3 e²/h 및 −3/5 e²/h로 양자화되어 있어 분수형 양자화가 확인되었다.
• v = −1 상태는 체르너 수 −1과 일치하는 분산을 보이며, 전통적인 양자 이상 홀 상태 존재를 확인하였다.
• 전자 도핑 측면의 비강자성 상태는 자기장에 대한 의존성이 없었으며, 이는 평탄한 상관관계 절연체임을 나타내었다.
• 위상적 상태는 전기적 게이팅을 통해 평탄한 상태로 조절 가능하였으며, 이는 위상적 성질과 게이팅에 대한 강건성을 입증하였다.