特别说明：本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
自发对称性破缺和拓扑学之间的相互作用可能会导致奇异的物质量子态。一个著名的例子是量子反常霍尔(QAH)态，由于固有铁磁性，它在零磁场下表现出整数量子霍尔效应。在存在强电子-电子相互作用的情况下，零磁场下的分数 QAH (FQAH)状态可能会出现。这些状态可以承载分数激发，包括非阿贝尔任意子——拓扑量子计算的重要组成部分。
关键问题
QAH态是 FQAH的前体，已在磁性掺杂拓扑绝缘体、本征磁性拓扑绝缘体以及石墨烯和扭曲过渡金属二硫化物系统中实现。理论工作预测了预测了整数和分数QAH状态，在近4度扭曲的MoTe2同质双层中，在广泛的空穴掺杂相空间中观察到自发破坏时间反转对称性的电可调铁磁态.尽管进行了广泛的理论研究，但由于缺乏合适的物理系统，FQAH状态的实验实现仍然具有挑战性。
新思路
有鉴于此，美国华盛顿大学许晓栋等人报告了扭曲MoTe2双层膜中FQAH态的实验特征。磁圆二色性测量揭示了在分数孔填充的摩尔微带处的强铁磁状态。利用trion光致发光作为传感器，得到了一个Landau扇形图，显示了v=-2/3和-3/5铁磁态对应的载流子密度随外加磁场的线性变化。这些位移分别与分数量子霍尔电导为
和-
的FQAH态的Streda公式色散相匹配。这些位移与FQAH 状态的 Streda 公式色散相匹配，其分数量化霍尔电导分别为此外，v=-1状态表现出与Chern数-1对应的色散，与预测的QAH状态一致。相比之下，电子掺杂侧的几个非铁磁态不会分散，即是平凡的相关绝缘体。可以将观察到的拓扑状态电驱动为拓扑平凡状态。该发现提供了长期寻求的FQAH状态的证据，证明了MoTe2莫尔超晶格是探索分数激发的理想平台。
作者分析了PL强度图与n和光子能量的关系，采用RMCD测量研究磁响应，表明用于抑制铁磁态的临界电场Dc在部分填充绝缘态v=-2/3时增强。作者探索了铁磁绝缘状态的拓扑性质，提取了三种状态的提取Chern数，观测到了FQAH状态。作者将D场设置为-250 mV/nm，通过测量PL光谱与n和µoH表明载流子密度n-1在低磁场下变得与磁场无关，温度和电场都破坏了铁磁态，从而破坏了FQAH态，突出了扭曲的 MoTe2 双层的可调谐性。1、利用R堆叠MoTe2实现了Kane-Mele模型在 3.7° 附近的菱形堆叠MoTe2双层样品采用标准双栅极几何形状，实现了 Kane-Mele 模型，在v=-1时，强交换相互作用产生铁磁性，提升自旋谷简并并实现具有强库仑相互作用的霍尔丹模型。首先建立与分数填充处的相关绝缘状态相对应的稳健铁磁性，然后展示了与v=-2/3和-3/5分数填充状态相关的拓扑不变量的测量，通过与Streda公式色散比较获得FQAH状态的证据。作者证明了可以通过利用晶格几何的电场控制来打开和关闭这些FQAH状态，从而控制磁性基态和带拓扑。作者显示了PL强度图与n和光子能量的关系，PL 共振来自trion（即带电激子）。观察到的PL强度降低是trion数量减少的结果，相关绝缘态的形成耗尽了可用于trion形成的空穴。采用反射磁圆二色性 (RMCD)测量来研究磁响应，非消失 RMCD 信号突出了铁磁态的相空间，数据表明，用于抑制铁磁态的临界电场Dc在部分填充绝缘态v=-2/3 时增强。µoHC对相关绝缘状态的依赖性通过RMCD磁滞回线的掺杂相关测量进一步突出。µoHC在相关绝缘状态附近得到增强。此外，作者发现TC具有很强的填充依赖性。
采用trion传感技术来光学测量扇形图。TMD中的激子对局部介电环境的变化非常敏感。当相关绝缘态形成时，trion PL强度下降并且其峰值能量蓝移，可以确定对应于v=-1(n-1)和-2/3(n-2/3)状态的载流子密度。然后测量n-1和n-2/3 作为磁场的函数，探索这些铁磁绝缘状态的拓扑性质。观察结果不同于电子掺杂侧的拓扑琐碎的相关绝缘态，符合预期提取的密度的线性拟合产生三种状态的提取Chern数，与预期的Streda公式色散一致，观测到了FQAH状态，所有理论结果与实验观察结果一致。
由于蜂窝晶格的亚晶格轨道位于扭曲双层的相对层中，因此垂直电场的应用打破了层简并。这使得能够将超晶格从蜂窝状调整为由动力学反铁磁交换相互作用主导的三角形晶格。因此，预计这种波纹几何控制将从根本上改变波纹带的拓扑特性。为了说明这个概念，作者将D场设置为-250 mV/nm，然后测量PL光谱与n和µoH。结果表明载流子密度n-1在低磁场下变得与磁场无关，表明该状态现在是非色散且拓扑平凡的绝缘体。RMCD信号和铁磁性在大 D 处消失，与观察到的拓扑平凡状态一致。计算表明，大电场下FQAH态的抑制主要是由于莫尔布里渊区上Berry曲率和量子几何张量的剧烈波动的出现。FM状态的D场范围随着温度升高而减小，在大约4.5K的TC之上消失，给出FQAH状态的上限。温度和电场都破坏了铁磁态，从而破坏了FQAH态，突出了扭曲的 MoTe2 双层的可调谐性。
展望
总之，该工作提供了R堆叠中扭曲的MoTe2双层中两个FQAH状态的实验特征。紧接着的下一步是使用电传输测量直接探测拓扑特性，例如手性边缘状态。在过去的几十年里，关于FQAH状态的理论发展很多。本工作提供了一个实验平台，通过电场、掺杂、温度和磁场以前所未有的可调性来测试其中的一些想法。由于可以使用圆偏振光访问自旋谷自由度，因此还可以实现磁化的光学控制，从而实现FQAH（和QAH）状态。更重要的是该工作指出可以将TMD莫尔超晶格的显着特性和可调性，用于由自发对称性破缺和强相关效应引起的奇异拓扑阶的量子工程。Cai, J., Anderson, E., Wang, C. et al. Signatures of Fractional Quantum Anomalous Hall States in Twisted MoTe2. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06289-w
