[论文解读] Observation of integer and fractional quantum anomalous Hall effects in twisted bilayer MoTe2

Fan Xu, Zheng Sun+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 32被引用 64

一句话总结

论文报道在 AA-stacked twisted bilayer MoTe2 中，在零磁场下实现整数和分数量子异常霍尔效应的传输证据，可通过垂直位移场进行可调，并且由 D 为驱动的转变至拓扑简单态。

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.

研究动机与目标

• 在半导体莫尔斯材料中实现 IQAH 和 FQAH 状态，而无需外加磁场。
• 在特定莫尔晶格填充（ν = -1 和 ν = -2/3）下展示零场量子化霍尔导电。
• 展示由电场位移场驱动的从非平凡到平凡绝缘态与金属态之间的拓扑相变。

提出的方法

• 制备 AA-stacked twisted bilayer MoTe2 器件，配备双栅以控制莫尔填充 ν 和位移场 D。
• 在低温、零磁场下测量输运（ρxx, ρxy），通过场反对称化/对称化提取 σxy。
• 从霍尔导数和 Streda 分析中提取 Chern 数；通过热激活拟合来识别能隙。
• 使用紧束缚 Wannier 投影和 Hartree-Fock 模拟来解释场与填充诱导的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 twisted bilayer MoTe2 中，IQAH 和 FQAH 状态是否在零磁场存在？
• RQ2 竖直位移场 D 如何影响 IQAH 和 FQAH 状态的稳定性和性质？
• RQ3 非平凡 (IQAH/FQAH) 与平凡绝缘或金属相之间的能隙及转变机制是什么？
• RQ4 观察到的导电平台是否与预计的 Chern 数和基于 Streda 的值一致？
• RQ5 在 ν = -1 和 ν = -2/3 时，杂质和样品不均匀性对量化质量的作用是什么？

主要发现

• 在零场下的量化霍尔电导为 e2/h，在 ν = -1 附近（IQAH）和 ν = -2/3 附近约为 3h/2e2（FQAH）。
• 纵向电阻在 ν = -1 与 ν = -2/3 处显示明显极小值，指示手性边缘传输。
• 霍尔导数板块在 D 的一个范围内保持量化，在达到临界 Dc 后消失（≈120 mV/nm 对 ν = -1，≈15 mV/nm 对 ν = -2/3）。
• Streda 分析给出 Chern 数 |C| ≈ 1 对 ν = -1，|C| ≈ 2/3 对 ν = -2/3，存在由于无序导致的偏差。
• D-field 诱导从 IQAH/FQAH 到电荷转移绝缘体的拓扑相变，并在更大的 D 时进一步转变为金属态。
• ν = -1 和 ν = -2/3 的能隙在相边界附近减小，然后随 D 变化而演化，与电荷转移与相关驱动的绝缘体一致。