许晓栋，Nature！
学术
2024-11-24 09:56
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研究背景
半充满的最低朗道能级是研究相互作用拓扑相的一个常用的平台。其中一个著名的例子是复合费米液（composite Fermi liquid），它是一种在强磁场下由复合费米子形成的非费米液相。而其零场对应物被预测存在于扭曲的二层MoTe2（tMoTe2）中。tMoTe2是一种最近发现的分数量子Chern绝缘体，表现出分数量子反常霍尔效应。尽管在填充因子ν=−1/2的传输测量中显示出与零场复合费米液相一致的特征，但需要新的探针来进一步研究该状态及其基本激发。为了解决这一问题，美国华盛顿大学许晓栋课题组在“Nature”期刊上发表了题为“Trion sensing of a zero-field composite Fermi liquid”的最新论文。在本研究中，作者利用tMoTe2独特的谷特性，报告了零场复合费米液的光学特征。作者测量了三离子光致发光的圆偏振度随空穴掺杂和电场的变化。结果发现，在表现出稳健铁磁性的相空间内，费米液状态的圆偏振度接近1。然而，在整数和分数Chern绝缘体以及靠近ν=−1/2的一段空穴掺杂范围内，圆偏振度被显著抑制。温度、光激发功率和电场依赖性的测量表明，圆偏振度的抑制是Chern绝缘体（或复合费米液）电子激发能隙（伪能隙）的直接结果：由于形成三离子所需的局域自旋极化激发被强烈抑制，在相应的填充因子下，三离子的形成依赖于光学生成的无极化游离空穴。 研究亮点
（1）实验通过测量三离子光致发光的圆偏振度（圆偏振度），首次揭示了零场复合费米液的光学响应特征。这种零场复合费米液在扭曲双层MoTe2（tMoTe2）中被预测存在，其表现出分数量子反常霍尔效应，是零磁场下的分数量子Chern绝缘体的重要组成部分。（2）实验通过三离子光致发光测量和系统性参数调控，揭示了Chern绝缘体和零场复合费米液的关键特性- 圆偏振度变化：在稳健铁磁性相空间内，费米液状态的圆偏振度圆偏振度接近1；但在整数和分数Chern绝缘体以及靠近ν=−1/2的填充因子范围内，圆偏振度显著降低，反映了电子激发能隙（伪能隙）的存在。
- 外界条件依赖性：通过温度、光激发功率和电场的依赖性测量，验证了这种圆偏振度的抑制是由Chern绝缘体和复合费米液的电子激发能隙引起的。
- 机制解析：由于形成三离子所需的自旋极化激发在这些态下被强烈抑制，三离子的生成依赖于光学生成的无极化游离空穴。
图文解读
图2:在陈氏Chern绝缘体态时，三激子光致发光螺旋度helicity的抑制。图3: 铁磁性和三激子光致发光螺旋度和温度依赖性的相空间比较。图4: 在零磁场复合费米液体composite Fermi liquid，CFL相中，三激子Trion光致发光螺旋度的抑制。总结展望
本文展示了三离子光致发光的圆偏振度（helicity）作为零场分数量子Chern绝缘体（FCI）tMoTe2相图的敏感探针，能够区分自旋-谷极化费米液体与Chern绝缘体及假设的零场复合费米液（CFL）相。该结果突显了光学、磁性和拓扑性质在该系统中的紧密对应。接近ν=−1/2时，三离子光致发光的圆偏振度与普通自旋-谷极化费米液的低能电子激发的费米面特征明显不同。该现象可以通过CFL相的伪能隙性质来解释。作者的结果为零场复合费米液相以及Chern绝缘体状态的存在提供了支持，并为其提供了新的视角，此外还进一步验证了已有的运输实验结果。进一步的微观理论将有助于建立在零磁场下分数量子电荷存在的情况下三离子激发和弛豫的行为——这一行为是tMoTe2零场FCI特有的。此外，强耦合的磁性和光学响应表明可能通过光学方式控制磁序，或许可以利用螺旋共振激光脉冲实现。基于这些结果，原位控制磁畴的可能性对于设计任意子干涉仪——或许，未来的拓扑保护量子比特——具有重要价值。Anderson, E., Cai, J., Reddy, A.P. et al. Trion sensing of a zero-field composite Fermi liquid. Nature 635, 590–595 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08134-0 纳米人学术QQ交流群
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