▲第一作者：Evgeny Redekop
通讯作者：Andrea F. Young
通讯单位：美国加州大学圣巴巴拉
论文doi：10.1038/s41586-024-08153-x（点击文末「阅读原文」，直达链接）
分数chern绝缘体(Fractional Chern insulators，FCIs)是将分数阶量子霍尔态推广到具有破缺时间反转对称性的晶格系统。对FCIs的兴趣来自于它们可能作为晶格上相互作用费米子的基态出现，包括在零磁场下，时间反演对称性自发破缺。轨道磁化强度提供了拓扑和相互作用的灵敏探针，特别是在chern绝缘体中具有丰富的现象学，其中拓扑边缘态携带大的平衡电流。1.本工作利用纳米级超导传感器来映射MoTe2扭曲双层膜中的磁条纹场，其中输运和光学传感实验揭示了零磁场下分数chern绝缘体(FCI)态的形成。2.本工作观察到与第一摩尔孔带填充ν = −1、−2/3、−3/5、−4/7和−5/9相关的局部磁场振荡，这与这些填充下FCI的形成是一致的。本工作确定了最稳定的FCI态在ν=-2/3处的局域热力学能隙，发现-2/3Δ高达7 meV。3.本工作还表征了样品的空间无序性，它由有效晶胞面积中的不均匀性以及带边偏移和束缚偶极矩中的不均匀性共同决定。4.本工作的结果既强调了结构无序在扭曲的同质双层叠栅系统研究中所带来的挑战，也强调了底层关联拓扑态的鲁棒性所带来的机遇。1、本工作使用一个有效直径约为200 nm的铟nSOT传感器来映射几个扭曲的双层MoTe2样品上方的条纹磁场，空间分辨率约为250 nm。与目前最先进的传感器相比，本工作的传感器有了显著的改进，测得的灵敏度为0.2 nT Hz-1/2，对应于4n Φ Hz-1/2，其中Φ0为超导磁通量子数。本工作的样品由扭曲的双层MoTe2活性层组成，活性层由石墨顶栅和底栅的hBN介质封装。2、图1b是在样品A表面上方50 nm高度处局部测量的Bd.c.，在以低位移场为中心的相图宽区域内观察到磁信号，与之前的光学和输运测量一致。本工作将这一机制与谷不平衡的铁磁相联系起来。先前在ν=-1和ν=-2/3处被识别为陈绝缘体的特征在该图像中作为细微的垂直线可见。这些在δBn的测量中变得可见，如图1c所示。3、如图1e所示，在ν=-1处，与该特征相关的边缘磁场比与陈绝缘体边缘态相关的边缘磁场大一个数量级，并且大的负信号出现在D和ne的狭窄范围内。这对于谷不平衡的陈绝缘体和没有净磁化强度的拓扑平庸绝缘体之间的一阶相变是有希望的。本工作得出结论，谷极化的一阶相变发生在能带拓扑结构的任何位移场调谐变化之前，并且没有发现谷不平衡金属态的证据。值得注意的是，尽管谷不平衡跃迁在ν=-1处是尖锐的，其中跃迁发生在一个陈绝缘体和一个拓扑平庸的关联绝缘体之间，但在相称填充因子之间的金属态中，谷不平衡跃迁是宽泛的。1、图1中的数据提供了微观相图的定性图像。为了定量测量磁化强度，对Bd . c .和δ Bb进行空间扫描，并利用反演算法重建静态磁化强度m和响应于底栅电压变化的差分磁化强度变化，δmb=∂m/∂vb×δvb。2、图2a-c显示了在D=-29 mV nm-1和ne下获得的δmb图像，分别对应于ν≈ -1.2，ν≈-1和ν≈-2/3。样品的磁化强度在亚微米尺度上是不均匀的，这是所有被测样品都具有的特征。图2d给出了图2c所示装置中几个不同点处对δmb积分得到的ne依赖的总m。3、静态磁化强度m与ne近似呈线性标度，这与铁磁相中的大的非拓扑轨道磁化强度一致，从每孔6到8 μB不等，其中μB是玻尔磁子。这与从能带理论和光学实验中确定的原子尺度自旋轨道耦合引起的自旋矩的重整化估计一致。尽管铁磁区域内部结构存在强烈的空间不均匀性，但整个样品都被磁化，这与谷极化是相图在一系列样品参数范围内的稳健特征相一致(图2e)。4、然而，本工作注意到，与本工作的局部探针相比，长度尺度上的样品不均匀性很可能有助于降低扭曲MoTe2中测量的热力学能隙相对于本征能隙的大小。因此，本征带隙可能比这里报道的更大，这与理论分析一致，即在高达160 T的磁场下，MoTe2双层膜相当于传统的量子霍尔态。1、在解释莫尔系统中的输运和体热力学数据时，一个关键的考虑是样品无序。特别地，结构参数的变化可以使同一陈绝缘体状态发生在样品不同部位施加的栅极电压的不同值处；因此，样品不会被均匀地隔开，测量结果将强烈地依赖于探测区域的大小和形状。2、宏观热力学探针将不可压缩和可压缩区域平均，减小了测量的热力学能隙，而输运测量则可以看到样品的体导电区域缩短了边缘态输运。结构无序的影响如图4a所示，它显示δmb是顶部和底部栅极施加的栅电压之和的函数，V≡ vt+vb(D保持不变)和沿霍尔棒样品脊柱运行的轨迹的空间坐标。3、图4a中的轨迹对应的有效层间扭转角θ在图4b中绘制，而整个器件的有效扭转角图在图4c中显示。从定性上讲，扭转角图类似于扭转双层石墨烯，具有近似均匀扭转角的区域被畴壁隔开，其中有效扭转角发生突变。4、如图4d所示，相图的铁磁区域关于一个固定但非零的D值对称，本工作将这个位移场偏移量D0与一个内建电场联系起来，本工作发现内建电场在微米尺度上的空间变化如图4f所示。该电场可能与MoTe2双层膜中的异质应变有关，它打破了理想化双层膜体系在D=0 mV nm-1处的层反演对称性，并在层内诱导束缚偶极子电荷。除了这些不均匀性的来源外，在大部分的样本区域都观察到了FCI态，这表明了潜在现象的一定程度的鲁棒性。https://www.nature.com/articles/s41586-024-08153-x
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