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。

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

关联和受挫在物理学中扮演着重要的角色，从而产生了新奇的量子相。一个典型的受挫系统是位于Moat-band的关联玻色子，它可以承载具有长程量子纠缠的拓扑序。然而，实现Moat- band物理仍然具有挑战性。

为了解决这一问题，南京大学王锐副教授、杜灵杰教授、王伯根教授以及北京大学杜瑞瑞教授等人探索了浅反转InAs/GaSb量子阱中的Moat-band现象，观察到在不平衡的电子和空穴密度下打破激子基态的非常规时间反转对称性。作者发现存在大体积间隙，包含零磁场(B)下的广泛密度不平衡，并伴有类似于螺旋传输的边缘通道。在垂直B增加的情况下，体积间隙持续存在，并且出现异常的霍尔信号平台，这表明从螺旋状边缘传输到手性边缘传输的演变，霍尔电导在35特斯拉时大约等于e²/h。从理论上讲，密度不平衡带来的强烈受挫会导致激子形成Moat-band，从而导致时间反转对称性破坏激子拓扑序，这解释了所有的实验观察结果。该工作为超越对称保护拓扑相框架的固态拓扑和相关玻色子系统的研究开辟了一个新方向，包括但不限于玻色子分数量子霍尔效应。

InAs/GaSb 量子阱中的有限动量激子

在半导体中，电子和空穴可以形成称为激子的玻色子对。激子可以在电子-空穴(e-h)双分子层中自发形成，为实现Moat-band物理学提供了一条新途径。作者们利用高达35T的磁场和激子动量的大范围栅极可调谐性来揭示浅反转InAs/GaSb QW中EI态的拓扑性质，发现 EI 间隙出人意料地从电子主导状态持续到空穴主导状态。结果表明，非常规激子态可能是与相关激子态内在相关的拓扑序。

图  InAs/GaSb 量子阱中的有限动量激子

有限矩 EI

在浅反转InAs/GaSb QW中，零σ_c在从−2 V到−3 V的宽V_f范围内持续存在，在其中进行T依赖性实验。在此范围内，σ_c 表现出指数激活的T依赖性，允许提取与净电荷符号几乎对称的间隙能量Δ，表明双载流子状态下的金属传输。间隙的持久性表明无论净电荷如何变化，基态都保持在相同的间隙EI相。研究结果提供了强有力的证据，证明拓扑EI是来自整个平台上不平衡电子和空穴的有限动量EI。

图  拓扑EI中的间隙能量和异常霍尔平台

螺旋状向手性边缘演化

对于螺旋状边缘传输，来自相反手性通道的贡献将抵消并给出几乎为零的霍尔信号。在增加 B⊥ 的情况下，内环和外环（以及金属触点）之间的传输速率将降低，而外环和金属触点之间的传输速率将保持一致，这表明了提升的霍尔信号。B⊥下的这种从螺旋状到手性状的边缘传输演化是拓扑EI的标志。拓扑EI的体积间隙（以零电导为特征）一直持续到极高的B⊥。观察到的类手性边缘传输清楚地表明拓扑状态对破坏的TRS具有稳定性。研究结果揭示了在密度不平衡下TRS断裂形成的非常规激子基态，这与迄今为止研究的所有拓扑和激子相不同。

图  高磁场下的运输

紧急激子拓扑序

为了了解 EI 的性质，研究了具有密度不平衡的相关e-h双层。在动量空间中，由于不平衡出现了两个同心费米面，形成的激子在循环上具有有限的动量。多体状态是由受挫激子产生的 TRS 破坏拓扑序，称为ETO。由于受挫效应，ETO被发现出现在FFLO和双载流子区域之间的中间区域，拥有一对手性电子和空穴边缘模式。在大密度不平衡下形成的ETO很好地解释了观察到的带隙 EI 状态，与拓扑绝缘体相比，ETO具有不依赖于任何对称性的固有拓扑。结果证明，实验观察到的拓扑激子态可能是具有长程量子纠缠的本征拓扑序。

图  激子Moat-band和ETO的机制

参考文献：

Wang, R., Sedrakyan, T.A., Wang, B. et al. Excitonic topological order in imbalanced electron–hole bilayers. Nature (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06065-w