[论文解读] Symmetry Breaking and Transition to Robust Excitonic Topological Order in InAs/GaSb Bilayers

Xinghao Wang, Wenfeng Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2026

Topological Materials and Phenomena被引用 0

一句话总结

本文表明库仑相互作用驱动对称性破缺，并在 InAs/GaSb 双层中由量子自旋霍尔绝缘体转变为稳健的激子拓拓扑序，磁场引发的自旋-转动对称性破缺促进三重态电子-空穴成对。

ABSTRACT

Symmetry and topology are fundamental concepts deeply intertwined in various fields of physics, especially in the studies of quantum phases of matter. The critical role that Coulomb interactions play in symmetry breaking during topological transitions is a fundamental problem that has not been fully understood. Utilizing gated indium arsenide-gallium antimonide bilayers, we demonstrate that Coulomb interactions play a critical role in symmetry breaking and topological transitions. Whereas the quantum spin Hall insulator (QSHI) dominates the high-density regime, gating the system into the dilute regime enhances interlayer Coulomb interactions and leads to an emergent excitonic topological order (ETO) with spontaneous time-reversal-symmetry breaking. Moreover, applying a magnetic field drives a transition from the QSHI to the ETO accompanied by Coulomb-induced spin-rotation-symmetry breaking, which selects triplet electron-hole pairing in the lowest Landau levels. These results underscore an intricate interplay between symmetry and topology under Coulomb interactions in electron-hole bilayers.

研究动机与目标

• 研究库仑相互作用如何影响电子-空穴双层中拓扑转变过程中的对称性破缺。
• 在 InAs/GaSb 双层的稀薄极限中展示激子拓扑序（ETO）的出现。
• 探索门控和磁场如何影响 QSHI-ETO 转变及对称性特性。

提出的方法

• 利用门控的 InAs/GaSb 双层来控制密度与层间库仑相互作用。
• 表征高密度极限下 QSHI 的主导性以及稀薄极限下 ETO 的出现。
• 施加强磁场以探测转变并识别库仑诱导的自旋-转动对称性破缺。
• 分析在最低能级中的电子-空穴成对性质及其对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 层间库仑相互作用是否驱动 InAs/GaSb 双层中的对称性破缺及拓扑转变？
• RQ2 在何种条件下会出现激子拓扑序，且时间反演对称性如何自发破缺？
• RQ3 磁场如何影响最低 Landau 能级中的 QSHI-to-ETO 转变与自旋-转动对称性？
• RQ4 在相关区域的电子-空穴成对特征（单态 vs 三重态）为何？

主要发现

• 库仑相互作用对拓扑转变过程中的对称性破缺至关重要。
• 在稀薄极限中，层间相互作用促成一种新兴的激子拓扑序，并自发破坏时间反演对称性。
• 磁场驱动从 QSHI 到 ETO 的转变，伴随库仑诱导的自旋-转动对称性破缺，在最低 Landau 能级中选定三重态电子-空穴成对。