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原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

量子自旋霍尔(QSH)绝缘体是一种二维电子材料，具有与普通绝缘体类似的体带隙，但具有拓扑保护的相反手性的边缘模式对。迄今为止，实验研究仅发现整数QSH绝缘体，其每个边缘具有反向传播的上自旋和下自旋，导致量子化电导G₀=e²/h。

有鉴于此，康奈尔大学Kin Fai Mak、Jie Shan、Kaifei Kang等人报告了2.1°扭曲双层MoTe₂中分数QSH绝缘体的输运证据，它支持自旋S_z守恒和平坦自旋对比Chern能带。在莫尔价带的填充因子ν=3处，每个边缘贡献电导3/2G₀ 且反常霍尔电导率为零。该状态可能是偶数分母3/2小数陈绝缘体的时间反转对。此外，在ν=2、4和6时，观察到单、双和三QSH绝缘体，每个边缘分别贡献电导G₀、2G₀和3G₀。该结果开辟了在高度可调莫尔材料中实现时间反转对称非阿贝尔任意子和其他意想不到的拓扑相的可能性。

器件设计和表征

作者使用双栅极器件结构，其中顶部和底部栅极独立控制莫尔带填充因子ν和面外电场E。在该设计中，隧道势垒仅出现在金属重掺杂tMoTe₂结处，在低温下实现了低至约25 kΩ的接触电阻，并且几乎与通道填充因子低至ν < 1无关。在ν=3/2附近还观察到具有弱霍尔平台和R_sym最小值的分数Chern绝缘体。重点关注 ν = 2、3、4和6处最突出的状态，几乎消失的R_xy和R_sym表明这些状态既不是平凡带绝缘体，也不是Chern绝缘体。在层杂化体系中，ν = 2、3、4和6处存在边缘主导的传输。

图1 莫尔MoTe₂器件和表征

整数和分数QSH绝缘子

作者进行了全面的两端电阻测量，以验证ν=2、3、4 和6时的边缘通道传输，并确定每个边缘对电导的贡献。与ν=1处的Chern绝缘体类似，作者在ν = 2、3、4 和 6 附近观察到R_2t= h/(νe²)或G_2t= νG₀的近量子化平台。所有结果都支持ν=2、3、4和6态是层杂化体系中不可压缩的QSH绝缘体。

图2 量化的两端传输

温度依赖性

作者通过研究QSH态的温度依赖性来检查它们的能级，展示了E= 0附近G_2t的填充因子依赖性。ν=3、4和6处的QSH平台分别在大约 4 K、10 K 和 6 K 上方被模糊；ν=2QSH平台在12 K以上仍然可见，分数QSH绝缘体的间隙尺寸约为 0.3 meV。分数QSH绝缘体在不同温度下G_2t的电场依赖性表明在层杂化状态下，电导对温度的依赖性较弱，E<E_c；在E>E_c的层极化状态下，G_2t随着温度的升高而降低，表明了电场引起从分数QSH绝缘体到费米液体的转变。

图3 双端非局域输运

图4 拓扑相变和热激发

参考文献：

Kang, K., Shen, B., Qiu, Y. et al. Evidence of the fractional quantum spin Hall effect in moiré MoTe2. Nature (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07214-5