Signaturen fraktionaler quantenanomaler Hall-Zustände in Twisted MoTe2

Natur (2023)Diesen Artikel zitieren

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Das Zusammenspiel zwischen spontaner Symmetriebrechung und Topologie kann zu exotischen Quantenzuständen der Materie führen. Ein berühmtes Beispiel ist der quantenanomale Hall-Zustand (QAH), der aufgrund des intrinsischen Ferromagnetismus1-3 einen ganzzahligen Quanten-Hall-Effekt bei einem Magnetfeld von Null zeigt. Bei starken Elektron-Elektron-Wechselwirkungen können fraktionierte QAH-Zustände (FQAH) bei einem Magnetfeld von Null entstehen4-8. Diese Zustände könnten fraktionierte Anregungen beherbergen, einschließlich nicht-abelscher Anyons – entscheidende Bausteine für topologische Quantenberechnungen9. Hier berichten wir über experimentelle Signaturen von FQAH-Zuständen in einer verdrehten MoTe2-Doppelschicht. Messungen des magnetischen Zirkulardichroismus zeigen robuste ferromagnetische Zustände an teilweise lochgefüllten Moiré-Minibändern. Unter Verwendung der Trion-Photolumineszenz als Sensor10 erhalten wir ein Landau-Fächerdiagramm, das lineare Verschiebungen der Trägerdichten entsprechend den ferromagnetischen Zuständen v = -2/3 und -3/5 bei angelegtem Magnetfeld zeigt. Diese Verschiebungen entsprechen der Streda-Formel-Dispersion von FQAH-Zuständen mit einer fraktional quantisierten Hall-Leitfähigkeit von ${{\boldsymbol{\sigma }}}_{{\boldsymbol{xy}}}=-\frac{2}{3}\frac {{e}^{2}}{h}$ bzw. $-\frac{3}{5}\frac{{e}^{2}}{h}$. Darüber hinaus weist der v = -1-Zustand eine Streuung auf, die der Chern-Zahl -1 entspricht, was mit dem vorhergesagten QAH-Zustand übereinstimmt11-14. Im Vergleich dazu dispergieren mehrere nichtferromagnetische Zustände auf der Seite der Elektronendotierung nicht, sind also trivial korrelierte Isolatoren. Die beobachteten topologischen Zustände können elektrisch in topologisch triviale Zustände umgewandelt werden. Unsere Ergebnisse liefern Beweise für die seit langem gesuchten FQAH-Zustände und zeigen, dass MoTe2-Moiré-Übergitter eine faszinierende Plattform für die Erforschung fraktioneller Anregungen sind.

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Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Jiaqi Cai, Eric Anderson

Fakultät für Physik, University of Washington, Seattle, Washington, USA

Jiaqi Cai, Eric Anderson, William Holtzmann, Yinong Zhang, Di Xiao und Xiaodong Xu

Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, University of Washington, Seattle, Washington, USA

Chong Wang, Xiaowei Zhang, Xiaoyu Liu, Ting Cao, Di Xiao und Xiaodong Xu

Fachbereich Physik, Universität Hongkong, Hongkong, China

Fengren Fan & Wang Yao

HKU-UCAS Joint Institute of Theoretical and Computational Physics in Hongkong, Hongkong, China

Fengren Fan & Wang Yao

Internationales Zentrum für Material-Nanoarchitektur, Nationales Institut für Materialwissenschaft, 1-1 Namiki, Tsukuba, Japan

Takashi Taniguchi

Forschungszentrum für Funktionsmaterialien, National Institute for Materials Science, 1-1 Namiki, Tsukuba, Japan

Kenji Watanabe

Fakultät für Physik, Boston College, Chestnut Hill, MA, USA

Ying Ran

Fakultät für Physik, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, USA

Liang Fu

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Korrespondenz mit Xiaodong Xu.

Nachdrucke und Genehmigungen

Cai, J., Anderson, E., Wang, C. et al. Signaturen fraktionaler quantenanomaler Hall-Zustände in Twisted MoTe2. Natur (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06289-w

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Eingegangen: 01. April 2023

Angenommen: 06. Juni 2023

Veröffentlicht: 14. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06289-w

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