[论文解读] Gate-Tuned Spontaneous Exciton Insulator in Double-Quantum Wells

Lingjie Du, Wenkai Lou+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 33被引用 59

一句话总结

本研究通过调节电荷中性点载流子密度（no），实现了在倒置InAs/GaSb双量子阱中门控调控的自发激子绝缘体的形成。在极低载流子密度（no ~ 5×10¹⁰ cm⁻²）下，打开一个硬质体能隙并出现量化边缘态，表明存在拓扑激子绝缘体相；而在较高载流子密度下，软能隙则源于电子-空穴杂化。该硬质能隙在高达35 T的平面磁场下依然保持稳定，排除了单粒子机制的解释，证实了多体激子绝缘体态的存在。

ABSTRACT

It was proposed that a dilute semimetal is unstable against the formation of an exciton insulator, however experimental confirmations have remained elusive. We investigate the origin of bulk energy gap in inverted InAs/GaSb quantum wells (QWs) which naturally host spatially-separated electrons and holes, using charge-neutral point density (no~po) in gated-device as a tuning parameter. We find two distinct regimes of gap formation, that for I), no >> 5x1010/cm2, a soft gap opens predominately by electron-hole hybridization; and for II), approaching the dilute limit no~ 5x1010/cm2, a hard gap opens leading to a true bulk insulator with quantized edge states. Moreover, the gap is dramatically reduced as the QWs are tuned to less dilute. We further examine the response of gaps to in-plane magnetic fields, and find that for I) the gap closes at B// > ~ 10T, consistent with hybridization while for II) the gap opens continuously for B// as high as 35T. Our analyses show that the hard gap in II) cannot be explained by single-particle hybridization. The data are remarkably consistent with the formation of a nontrivial exciton insulator in very dilute InAs/GaSb QWs.

研究动机与目标

• 研究门调控下倒置InAs/GaSb双量子阱中体能隙的起源。
• 确定所观测到的绝缘行为是由单粒子杂化还是多体激子关联引起。
• 确定在稀释、电荷中性系统中真正拓扑激子绝缘体相出现的条件。
• 研究能隙对平面磁场的响应，以区分杂化驱动与多体绝缘机制。

提出的方法

• 利用栅压调节双量子阱异质结构中的电荷中性点载流子密度（no），实现对载流子密度的控制。
• 通过输运测量探测体能隙和边缘态电导。
• 施加高达35 T的平面磁场，以检验能隙的鲁棒性，并区分杂化与拓扑绝缘行为。
• 在两个区域进行系统分析：高no（>5×10¹⁰ cm⁻²）和接近稀释极限（no ~5×10¹⁰ cm⁻²），以比较能隙形成机制。
• 测量量化边缘态以确认绝缘相的拓扑特性。
• 通过对比磁质与载流子密度下能隙的演化，排除单粒子杂化作为硬质能隙起源的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低载流子密度下，倒置InAs/GaSb双量子阱中体能隙的起源是什么？
• RQ2 在低密度下观测到的绝缘态是否对应于拓扑激子绝缘体相？
• RQ3 能隙对平面磁场的响应如何？这对其潜在机制有何启示？
• RQ4 在极低no下观测到的硬质能隙能否由单粒子电子-空穴杂化解释？
• RQ5 从电子结构和多体效应的角度来看，高no下的软能隙与低no下的硬能隙有何区别？

主要发现

• 在高载流子密度（no > 5×10¹⁰ cm⁻²）下，软能隙主要由电子-空穴杂化形成。
• 在低载流子密度（no ~ 5×10¹⁰ cm⁻²）下，打开一个硬质体能隙，表明存在具有量化边缘通道的真实绝缘态。
• 该硬质能隙在高达35 T的平面磁场下依然保持稳定，表明其具有拓扑保护性，与单粒子杂化机制不相容。
• 在高密度区域，当B// > ~10 T时能隙关闭，与杂化驱动的能隙行为一致。
• 数据强烈支持在极稀释的InAs/GaSb双量子阱中形成非平凡的激子绝缘体相。
• 所观测行为与传统能带绝缘体不一致，反而指向一种多体、拓扑激子绝缘体基态。