[论文解读] Probing the fractional quantum Hall phases in valley-layer locked bilayer MoS$_{2}$

S.G. Zhao, Jinqiang Huang+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2023

Graphene research and applications参考文献 51被引用 4

一句话总结

本研究首次在双层二硫化钼中观测到填充分数为4/5和2/5的分数量子霍尔（FQH）态，得益于高迁移率、自旋-谷-层锁定的二维电子气以及通过栅极和介质工程实现的可调库仑屏蔽。在高达34 T的强磁场和300 mK的低温条件下，FQH态表现为量子化的霍尔平台和电阻极小值，确立了双层MoS₂作为拓扑量子现象的可调平台。

ABSTRACT

Semiconducting transition-metal dichalcogenides (TMDs) exhibit high mobility, strong spin-orbit coupling, and large effective masses, which simultaneously leads to a rich wealth of Landau quantizations and inherently strong electronic interactions. However, in spite of their extensively explored Landau levels (LL) structure, probing electron correlations in the fractionally filled LL regime has not been possible due to the difficulty of reaching the quantum limit. Here, we report evidence for fractional quantum Hall (FQH) states at filling fractions 4/5 and 2/5 in the lowest LL of bilayer MoS$_{2}$, manifested in fractionally quantized transverse conductance plateaus accompanied by longitudinal resistance minima. We further show that the observed FQH states sensitively depend on the dielectric and gate screening of the Coulomb interactions. Our findings establish a new FQH experimental platform which are a scarce resource: an intrinsic semiconducting high mobility electron gas, whose electronic interactions in the FQH regime are in principle tunable by Coulomb-screening engineering, and as such, could be the missing link between atomically thin graphene and semiconducting quantum wells.

研究动机与目标

• 探究双层MoS₂最低 Landau 亚层中的分数量子霍尔（FQH）态，该体系具有强电子关联性和高迁移率。
• 克服半导体TMD材料在实现低载流子密度和适当介质屏蔽方面存在的困难，从而解决难以进入量子极限的挑战。
• 通过栅极和介质环境工程调控库仑相互作用，建立双层MoS₂作为FQH物理的可调平台。
• 为具有强自旋-轨道耦合和谷-层锁定的高迁移率本征二维半导体中FQH态的存在提供实验证据。

提出的方法

• 制备了高质量的双层MoS₂器件，采用二维宽口铋接触，以实现低至300 mK的低温和高磁场输运测量。
• 施加高达34 T的强磁场，测量横向电导和纵向电阻，以识别FQH平台和极小值。
• 利用六方氮化硼（h-BN）介质和上下栅极工程库仑屏蔽，调节有效相互作用势。
• 采用介质正则化的Rytova-Keldysh势模型有效库仑相互作用，同时考虑长程（栅极屏蔽）和短程（层状结构）屏蔽。
• 通过Haldane赝势将库仑势投影到最低Landau亚层，重点关注费米子相关的前三阶奇数赝势（V₁, V₃, V₅）。
• 在最多13个粒子的环面上进行精确对角化，模拟多体基态，确认ν = 4/5和2/5处FQH态的稳定性。

Fig. 1 : Electrical transport in bilayer MoS 2 in the single-particle regime. (a) Schematic illustration of the fabricated device. (b) Optical image of a typical dual-gated bilayer MoS 2 device. One of the 2D contact windows is highlighted by black dashed lines. Scale is 5 $\mu$ m. (c) Art view of t

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有强自旋-轨道耦合和谷-层锁定的半导体过渡金属二硫属化物双层MoS₂的最低Landau亚层中实现并探测分数量子霍尔态？
• RQ2 介质环境和栅极屏蔽如何影响双层MoS₂中FQH态的稳定性？
• RQ3 在双层MoS₂中，库仑相互作用在多大程度上可通过调控实现特定填充分数（如4/5和2/5）处FQH态的稳定？
• RQ4 磁长度和层间间距在决定该体系的有效相互作用及FQH态形成方面起什么作用？
• RQ5 通过使用真实赝势参数的多体哈密顿量精确对角化，能否在理论上证实所观测到的FQH态？

主要发现

• 在双层MoS₂中观测到填充分数为4/5和2/5的分数量子霍尔态，表现为在22 T至34 T磁场范围内的量子化横向电导平台和纵向电阻极小值。
• FQH态在磁长度范围ℓ_B ≈ 4.5–6 nm内保持稳定，对应于接近量子极限的载流子密度。
• 所观测到的FQH态对介质和栅极屏蔽高度敏感，库仑相互作用通过介电常数ε ≈ 5和层间距δ = 0.65 nm实现调控。
• 采用Haldane赝势和精确对角化的理论建模证实了ν = 4/5和ν = 2/5处FQH态的稳定性，基态能级分裂与不可压缩FQH态一致。
• 通过栅极和介质工程可调节体系的相互作用强度，使其成为研究拓扑量子相的有前途平台。
• 数据和精确对角化代码已通过Zenodo和DiagHam公开，支持可重复性与进一步的理论探索。

Fig. 2 : Electrical transport in bilayer MoS 2 in the single-particle regime. (a) Landau fan of sample-BS1 measured at $T$ = 300 mK and $V_{\textrm{bg}}$ = 4.72 V, in the magnetic field range from 0 to 12 T. White dashed lines are guides to eyes, and their crossing point indicates the band edge. (b)