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中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-052）——二维半导体莫尔超晶格中分数量子反常霍尔效应的实验观测
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1 工作简介
——二维半导体莫尔超晶格中分数量子反常霍尔效应的实验观测
量子霍尔效应是凝聚态物理学最重要的发现之一，其相关实验和理论研究曾先后获得了3次诺贝尔物理学奖，量子霍尔家族新成员的发现每次都对凝聚态物理产生了深远的影响。其中分数量子霍尔效应具有由于电子关联形成的拓扑序，呈现出长程量子纠缠和分数电荷激发，是拓扑量子计算的重要候选方案之一。分数量子霍尔效应的观测一般需要强磁场和极低温环境，一个自然且有挑战性的问题是：能否在零磁场条件下实现分数量子霍尔态，即分数化的量子反常霍尔效应。此前，理论研究工作肯定了分数量子反常霍尔效应存在的可能性，但实验上一直未能找到合适的材料体系能够实现分数量子反常霍尔效应。因此，分数量子反常霍尔效应的实验观测是凝聚态物理学家长期以来追求的目标。针对这一问题，上海交通大学李听昕、刘晓雪实验研究团队取得了重要突破，在转角二维原子层半导体二碲化钼（MoTe2）莫尔超晶格中观测到了分数量子反常霍尔效应的确凿证据。研究团队创新性地采用二维层状金属TaSe2与转角MoTe2体系（图1a）形成欧姆接触，设计制备了三栅极器件结构，克服了在低温、低载流子浓度和零电场条件下对二维原子层半导体材料制备欧姆电极接触的困难。通过开展低温量子输运研究，测量得到在莫尔超晶格的空穴填充因子分别为1和2/3时，零磁场下的霍尔电阻分别逼近h/e2和3h/2e2的量子化值（图1b），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1c），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。该项研究工作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机遇。
2 作者简介
通讯作者
李听昕，上海交通大学副教授、博士生导师。
2011年于西北大学获学士学位，2016年于北京大学获博士学位。2016年至2021年先后在美国莱斯大学（2016.9-2018.3）和美国康奈尔大学（2018.3-2021.5）从事博士后研究，2021.6加入上海交通大学物理与天文学院。从事实验凝聚态物理研究，主要研究兴趣为低维量子材料中的拓扑物理、强关联物理、磁性物理和超导物理。近几年在二维半导体莫尔超晶格、二维拓扑绝缘体、二维磁性材料等方向取得了一系列研究成果，发表学术论文20余篇，其中包括第一作者/通讯作者 Nature两篇、Nature子刊四篇、PRX/PRL三篇。
通讯作者
刘晓雪，上海交通大学副教授、博士生导师。
2013年于山东大学获学士学位，2018年于北京大学获博士学位。2018年至2022年在美国布朗大学从事博士后研究，2022年7月加入上海交通大学李政道研究所。从事实验凝聚态物理研究，研究专长为低维电子系统的低温量子输运。近年来在魔角石墨烯中的超导及强关联物理，以及分数量子霍尔效应热电输运的实验研究方面取得了多项重要成果，以第一作者/通讯作者身份发表 Science一篇、Nature Physics一篇、PRX一篇。
3 原文传递
详情请点击论文链接：
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.031037
https://wap.sciencenet.cn/blog-3406013-1416768.html
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