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【导读】

Chern绝缘体作为量子霍尔态的晶格类似物，可以在零磁场下表现出高温拓扑顺序，以实现下一代拓扑量子器件。迄今为止，整数Chern绝缘体已在多个系统中的零磁场下进行了实验证明，但分数Chern绝缘体仅在有限磁场下的石墨烯基系统中被报道。分数Chern绝缘体（FCIs），原则上可以在零磁场下承载分数量子霍尔效应和非阿贝尔激励，是凝聚态物理中备受追捧的物质相。FCIs的实验实现也可能彻底改变其他领域，如拓扑量子计算。但事实证明，FCIs在实验上的实现非常具有挑战性，因为它们不仅需要拓扑平坦带，还需要特定的量子带几何形状，通过形成波纹超晶格的带结构工程已经成为实现拓扑平面带的有力方法。最近的一项实验表明，FCIs可以稳定在5 T左右的魔角扭曲双层石墨烯中，其中磁场主要负责重新分配原始拓扑带的贝里曲率。基于过渡金属硫化物（TMD）半导体的魔角材料具有广泛可调谐的电子特性，预测其支持具有适当带几何形状的拓扑平面带，以支持零磁场下的FCIs，为实现分数点阵Chern绝缘开体辟了新的机会。

【成果掠影】

在此，美国康奈尔大学Jie Shan教授和Kin Fai Mak教授（共同通讯作者）通过结合局部电子压缩率和磁光测量，报道了零磁场下小角扭曲双层MoTe₂中整数和分数Chern绝缘体的热力学证据。当填孔因子v=1和2/3时，体系不可压缩，并且自发地打破了时间反转对称性。同时，从填充因子中状态随外加磁场的色散可以看出它们分别是整数和分数Chern绝缘体，进一步证明电场调节拓扑相变涉及Chern绝缘体。本文的发现为量子分数霍尔电导、任意子激发和编织在半导体纳米材料中的演示铺平了道路。

相关研究成果以“Thermodynamic evidence of fractional Chern insulator in moiré MoTe₂”为题发表在Nature上。

【核心创新点】

1.本文报道了在零磁场条件下，当填孔因子v=1和2/3时在小角度扭曲双层MoTe₂（tMoTe₂）中观察到一个整数Chern绝缘体；

2.在1.6 K下的实验表明，随着层间电位差的增加，从整数CI到拓扑莫特绝缘子的连续拓扑相变，而FCI变得可压缩。

【数据概览】

图一、tMoTe₂中的铁磁不可压缩态©2023 Springer Nature

图二、整数和分数Chern绝缘体©2023 Springer Nature

图三、相图©2023 Springer Nature

图四、拓扑相变©2023 Springer Nature

【成果启示】

综上所述，在小角tMoTe₂中展示了零磁场下的整数CI和分数CI，以及电子可压缩性和TRS破缺的局部测量。同时，还观察到由两种状态的层间电位差引起的连续拓扑相变的证据，本文的发现留下了许多悬而未决的问题，例如FCI的性质以及FCI在分数量子霍尔系统中没有类似物的魔角材料中的可能性。因此，实验任务是开发这些材料的电接触，用于输运测量和操纵拓扑量子应用中的任意子激发。此外，在准备这篇论文的过程中，作者了解到使用光谱学技术报告tMoTe₂中FCI特征的工作，以及使用局部压缩率测量报告tWSe₂中整数CI的工作

文献链接：“Thermodynamic evidence of fractional Chern insulator in moiré MoTe₂”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06452-3）

本文由材料人CYM编译供稿。