|
 |
图 (a) 两层MoTe2转角形成的莫尔超晶格结构示意图。(b)实验测得的转角MoTe2中分数量子反常霍尔效应的霍尔电阻随磁场的变化关系。(c) 零磁场极限下霍尔电导随莫尔超晶格填充因子的变化，可见清晰的整数（e2/h）与分数(2e2/3h)量子化霍尔电导平台
在国家自然科学基金项目（批准号：12174249、92265102、12174250、12141404、12074244）等资助下，上海交通大学李听昕、刘晓雪团队（实验）与美国田纳西大学张阳团队（理论）合作，在新型转角MoTe2莫尔超晶格器件中观测到分数量子反常霍尔效应。该成果以“MoTe2转角双层体系中整数和分数量子反常霍尔效应的实验观测（Observation of Integer and Fractional Quantum Anomalous Hall Effects in Twisted Bilayer MoTe2）”为题，于2023年9月27日在《物理评论X》（Physical Review X）发表。文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.031037。
整数与分数量子霍尔效应的发现改变了人们对于物质分类和微观世界的认识。其中，分数量子霍尔效应具有电子关联效应引起的拓扑序，呈现出长程量子纠缠和分数电荷激发的特性。一些分数量子霍尔态的准粒子激发还可能满足非阿贝尔统计，是拓扑量子计算的重要候选方案之一。通常，分数量子霍尔效应的观测需要强磁场和极低温样品环境，能否实现零磁场条件下的分数量子霍尔效应，即分数化的量子反常霍尔效应，是凝聚态物理的重要科学问题之一。此前，一系列理论研究工作从不同角度预言了分数量子反常霍尔效应，但一直未能找到合适的材料体系实现分数量子反常霍尔效应的实验观测。近年来，研究者们预言在二维层状半导体莫尔超晶格体系中可能存在分数量子反常霍尔效应，并开展了大量的理论和实验探索。
低温、低载流子浓度和零电场条件下二维半导体材料欧姆电极的制备是实现分数量子反常霍尔效应观测的关键条件。本工作中，研究团队创新性地采用二维层状金属TaSe2与转角MoTe2体系（图a）形成欧姆接触，设计制备了三栅极器件结构，实现了对电极接触、垂直电场、载流子浓度的分立调控。通过开展低温量子输运研究，测量得到在莫尔超晶格填充因子分别为-1和-2/3时，零磁场下的霍尔电阻分别逼近h/e2和3h/2e2（图b），同时观察到零磁场极限下整数与分数量子化的霍尔电导平台（图c），给出了该体系中整数与分数量子反常霍尔效应的确凿实验证据。通过栅极调控，进一步揭示了转角MoTe2体系中受电场和载流子浓度调节的丰富的拓扑及强关联量子物态，实现了外加电场驱使的从分数量子反常霍尔效应到强关联电子晶体态再到金属态的新型拓扑量子相变。
分数量子反常霍尔效应的实验观测是凝聚态物理领域的一项突破性进展，开启了零磁场条件下研究分数电荷激发、任意子统计等新奇物性的大门，为拓扑量子计算等研究提供了新的机遇。本工作是国际上同期两个独立实验工作之一，另一实验工作由美国华盛顿大学Xiaodong Xu研究团队完成。