[论文解读] Integer and fractional Chern insulators in twisted bilayer MoTe2

Yihang Zeng, Zhengchao Xia+8 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 41被引用 7

一句话总结

本研究通过局域电子压缩率和磁光测量，在小角度扭曲双层MoTe2中实现了零磁场下的整数和分数陈绝缘体。利用Streda公式，分别在填充因子ν=1和ν=2/3处确定了陈数为1和2/3，并观察到电场可调的拓扑相变，为半导体莫尔材料中实现量化分数霍尔电导和任意子统计奠定了基础。

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.

研究动机与目标

• 证明在无外加磁场的半导体莫尔系统中实现拓扑陈绝缘体。
• 识别并表征扭曲双层MoTe2中的整数和分数陈绝缘态。
• 利用Streda公式和磁场依赖的填充因子色散关系，确定这些态的陈数。
• 探索该系统中电场可调的拓扑相变。
• 建立在过渡金属二硫属化物莫尔材料中实现量化分数霍尔电导和任意子激发的平台。

提出的方法

• 通过测量局域电子压缩率，识别表征拓扑序的不可压缩态。
• 利用磁光光谱探测类似朗道能级的色散关系，并提取拓扑不变量。
• 应用Streda公式，从填充因子的磁场依赖关系中确定陈数。
• 通过背栅电场调控电子密度，使系统跨过拓扑相变。
• 分析在不同扭转角和载流子掺杂下的系统响应，以分离出拓扑态。
• 将压缩率极小值与量化霍尔电导及时间反演对称性破缺相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在过渡金属二硫属化物莫尔系统中实现零磁场下的整数和分数陈绝缘体？
• RQ2 在扭曲双层MoTe2中观测到的拓扑态的陈数是多少？
• RQ3 施加电场如何调控该系统中的拓扑相变？
• RQ4 ν=1和ν=2/3处不可压缩态的本质是什么，它们与时间反演对称性破缺有何关联？
• RQ5 该系统中的拓扑序是否能支持量化分数霍尔电导和任意子统计？

主要发现

• 该系统在空穴填充因子ν=1和ν=2/3处表现出不可压缩态，表明存在拓扑序。
• 利用Streda公式和磁场依赖的填充因子色散关系，确定ν=1处的陈数为1，ν=2/3处的陈数为2/3。
• 时间反演对称性在ν=1和ν=2/3态中自发破缺，其非平凡拓扑响应已得到证实。
• 电场调控可诱导不同陈绝缘态之间的拓扑相变，证明了拓扑序的可调性。
• 该系统支持稳健的拓扑平坦能带，使无需外加磁场即可实现分数陈绝缘体。
• 研究结果确立了扭曲MoTe2作为在基于半导体的莫尔材料中实现分数量子霍尔效应和任意子统计的可行平台。