01研究背景
Chern绝缘体是量子霍尔态的晶格类似物，有可能在零磁场下表现出高温拓扑秩序，从而实现下一代拓扑量子器件。迄今为止，零磁场条件下的整数Chern绝缘体已在多个系统中得到实验证明，但分数Chern绝缘体仅在有限磁场条件下的石墨烯基系统中得到报道。支持可调谐拓扑平坦带的半导体莫尔材料的出现，为实现分数Chern绝缘体提供了新的机遇。
02研究成果
在这里，美国康奈尔大学单杰教授和麦健辉教授通过结合局部电子压缩性和磁光测量，报告了小角度扭曲双层 MoTe2 在零磁场下的整数和分数Chern绝缘体的热力学证据。在空穴填充因子 ʋ=1 和 2/3 时，体系是不可压缩的，并自发地打破了时间反转对称性。他们从填充因子随外加磁场的分散状态证明，它们分别是整数和分数Chern绝缘体。他们进一步证明了涉及这些Chern绝缘体的电场调谐拓扑相变。他们的研究结果为证明量子化分数霍尔电导和半导体莫尔材料中的任意子激发和编织铺平了道路。相关研究工作以“Thermodynamic evidence of fractional Chern insulator in moiré MoTe2”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。祝贺！
03图文速递
图1. tMoTe2中的铁磁不可压缩态
分数Chern绝缘体（FCIs）原则上可以承载分数量子霍尔效应和零磁场下的非Abelian激元，是凝聚态物理学中备受追捧的物质相。FCIs 的实验实现还可能给拓扑量子计算等其他领域带来革命性的变化。但事实证明，FCIs 在实验中的实现极具挑战性，因为它们不仅需要拓扑平带，还需要特定的量子带几何结构。通过形成莫尔超晶格的带结构工程已成为实现拓扑平带的有力方法。最近的一项实验表明，FCIs可以在约5 T的温度下稳定在魔角扭曲双层石墨烯中，其中磁场主要负责重新分配原始拓扑带的Berry曲率。基于过渡金属二硫族化合物（TMD）半导体的莫尔材料具有广泛的可调电子特性，预计可支持具有适当带几何形状的拓扑平带，从而有利于零磁场下的 FCIs。
特别值得关注的是 AA 叠层类型的小角度扭曲 TMD 均双层（图 1a）。它们支持蜂窝状莫尔晶格，其中两个子晶格位于两个不同的层中。最上层的莫尔价带由来自单层 K 或 K' 谷的自旋谷锁定态组成。理论研究表明，子晶格位点之间复杂的层间跳跃可以诱导出具有非零自旋/谷分辨Chern数（Ⅽ）的拓扑莫尔价带，而且在特定的扭转角度下，最顶端的莫尔价带（|Ⅽ|=1）几乎是平坦的，并呈现出平坦的Berry曲率分布。最近的一项实验在很宽的填充范围内观察到了铁磁性。这表明有可能在分数填充时稳定 FCI。在这里，他们报告了在小角度扭曲双层 MoTe2（tMoTe2）的零磁场下，观察到 ʋ=1 时的整数Chern绝缘体（CI）和 ʋ=2/3 时的 FCI。填充因子ʋ以莫尔单元密度（nM）为单位测量空穴掺杂密度（n），ʋ=1 相当于四分之一带填充。这些态显示了 CI 的特征。具体来说，它们是不可压缩的，自发地打破了时间反转对称性（TRS），掺杂密度随外加磁场线性分散，并携带着跨越电荷间隙的轨道磁化。此外，随着层间电势差的增加，他们在1.6 K 的实验表明，从整数CI到拓扑三元莫特绝缘体的拓扑相变是连续的，而FCI则变得可压缩。
图2. 整数和分数Chern绝缘体
图3. 相图
为了绘制 CI 的相图并研究拓扑相变，他们测量了不可压缩性（图 3a）和 MCD（图 3b）与掺杂密度和垂直电场的函数关系。施加一个小磁场（20 mT）可抑制 MCD 波动（可能来自磁畴），如图 1c 所示。为了与静电相图相关联，他们还测量了MoTe2基本层内激子共振处的样品反射率（图 3c）。
强烈的反射表明MoTe2层中至少有一层是电荷中性的，因为掺杂会有效地猝灭TMD中的层内激子共振。他们用虚线分隔出两个不同的区域。在中间区域（猝灭反射），各层是杂化的，电荷在两层之间共享。在该区域之外（强反射），所有电荷都位于其中一层。扭曲双层WSe2和其他相关TMD莫尔异质结构中也有类似的静电相图。在该器件中，由于存在内置电场（来自带有传感器层的不对称器件结构），层间零电位差从E0= 0 移动到 - 90 mV/nm。
图4. 拓扑相变
他们将更详细地研究电场调谐的拓扑相变。图4a和4b分别是ʋ=1时与电场相关的电荷间隙和自发MCD。垂直虚线表示相界。当|E-E0|接近边界时，在1.6 K测得的化学势跃迁从约6 mV下降到约5 mV的最小值，并随着有效电场的进一步增加而迅速增大。观察到的间隙最小值表明，临界点处的间隙闭合因有限温度和/或无序而扩大。与此相关，MCD（1.6 K）在相边界之外迅速降低。随着温度的升高，MCD下降，铁磁相空间不断缩小。他们估计最高临界温度为 Tc≈ 13 K。同样，他们在图 4c 中显示了可以确定 ʋ=2/3 状态的化学势跃迁。它在 FCI相为 ~ 0.6 mV，在相界之外消失。图 4d 中的自发 MCD 在相边界之外也消失了，并随着温度的升高而不断减小。临界温度估计为Tc≈ 5 K。
04结论与展望
通过对电子压缩性和TRS断裂的局部测量，他们证明了小角度tMoTe2在零磁场下的整数和分数CI。他们还观察到这两种状态在层间电势差诱导下发生连续拓扑相变的证据。他们的发现留下了许多问题，如FCI的性质以及莫尔材料中的 FCI 的可能性，而这些问题在分数量子霍尔系统中并没有类似之处。一项紧迫的实验任务是开发与这些材料的电接触，以进行传输测量和操纵任意子激发，从而实现拓扑量子应用。在本手稿的准备过程中，他们了解到利用光学光谱技术报告了tMoTe2中的FCIs特征的工作，以及利用局部可压缩性测量报告了tWSe2中的整数CIs的工作。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06452-3
