由南京大學(xué)（王銳副教授、杜靈杰教授、王伯根教授）、美國麻省大學(xué)艾姆赫斯特分校（Tigran Sedrakyan副教授）、北京大學(xué)（杜瑞瑞教授）組成的合作團(tuán)隊(duì)在電子-空穴關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中激子拓?fù)湫?/strong>的研究方面取得了重要進(jìn)展。該工作于6月14日在《Nature》期刊上在線發(fā)表。

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該工作在理論上提出了關(guān)聯(lián)激子由于阻挫效應(yīng)導(dǎo)致強(qiáng)量子漲落所產(chǎn)生的玻色子拓?fù)湫虻男聶C(jī)制；實(shí)驗(yàn)上在電子-空穴濃度不平衡的InAs/GaSb量子阱中觀察到了通過激子形成的時間反演對稱破缺的新型拓?fù)鋺B(tài)，實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，首次揭示了激子系統(tǒng)中的玻色子拓?fù)湫?/strong>。

分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是當(dāng)代凝聚態(tài)物理的前沿研究熱點(diǎn)之一，相關(guān)研究曾獲1998年諾貝爾物理學(xué)獎。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)起源于電子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，導(dǎo)致了拓?fù)湫虻漠a(chǎn)生，表現(xiàn)出長程量子糾纏，演生規(guī)范場和分?jǐn)?shù)激發(fā)，在未來拓?fù)淞孔佑嬎惴矫婢哂袧撛诘膽?yīng)用價值。一個自然的問題是：能否在相互作用玻色子系統(tǒng)中產(chǎn)生具有拓?fù)湫虻姆謹(jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)？人們首先試圖在冷原子系統(tǒng)中進(jìn)行研究，但多年以來仍處于探索階段。

該工作受到團(tuán)隊(duì)成員前期關(guān)于阻挫自旋模型理論研究的啟發(fā)：當(dāng)自旋系統(tǒng)中的硬核玻色子具有一圈高度簡并的能帶（稱為moat 能帶），相互作用的玻色子會產(chǎn)生很強(qiáng)的動能阻挫，使得系統(tǒng)不能發(fā)生傳統(tǒng)的玻色凝聚, 而是形成具有拓?fù)湫虻氖终髯孕后w。

圖1（左）在電子-空穴密度不平衡的雙層量子阱中形成的moat 能帶；（右）雙層量子阱激子系統(tǒng)中的完整相圖

凝聚態(tài)物理中，電子和空穴可以發(fā)生配對，產(chǎn)生等效的玻色子，即激子，而InAs/GaSb反轉(zhuǎn)型量子阱可以提供研究激子基態(tài)的可控平臺。該工作研究了電子-空穴耦合的雙層系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子和空穴濃度不平衡時，系統(tǒng)所產(chǎn)生的激子具有moat型能帶（如圖1左所示）。強(qiáng)阻挫效應(yīng)使得激子不發(fā)生玻色凝聚，進(jìn)而產(chǎn)生一類具有長程量子糾纏的激子拓?fù)湫颍╡xcitonic topological order），其物理圖像等價于激子形成的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)?？紤]到阻挫效應(yīng)導(dǎo)致的量子漲落之后，系統(tǒng)的完整相圖如圖1右所示。相比于傳統(tǒng)的平均場理論結(jié)果，該工作發(fā)現(xiàn)量子漲落會導(dǎo)致在激子凝聚相中出現(xiàn)一個新的激子拓?fù)湫騾^(qū)域。

在實(shí)驗(yàn)上，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)在電子和空穴濃度很不平衡的門電壓區(qū)域內(nèi)（-2V到-3V），激子體態(tài)始終保持絕緣且存在著能隙，而在此前的研究中，激子絕緣體一般在電子空穴濃度相近時才出現(xiàn)。在該區(qū)域內(nèi)，輸運(yùn)測量揭示了體系存在著拓?fù)溥吘墤B(tài)，產(chǎn)生了一個拓?fù)浼ぷ咏^緣區(qū)，如圖2a所示。奇異的是，隨著垂直磁場的增加，邊緣態(tài)輸運(yùn)行為從零磁場下的類螺旋型（helical-like）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭愂终餍停╟hiral-like）；最終在強(qiáng)磁場下，邊緣態(tài)電導(dǎo)接近量子化值（如圖2b、c）。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)截然不同，同時其磁阻行為也區(qū)別于量子自旋霍爾效應(yīng)，無法用目前已知的拓?fù)湮飸B(tài)理解。

激子拓?fù)湫蚩梢院芎玫亟忉屔鲜鰧?shí)驗(yàn)現(xiàn)象。該拓?fù)湫蛟陔娮印⒖昭舛炔黄胶獾膮^(qū)間中產(chǎn)生，并具有一對電子-空穴形成的手征邊緣態(tài)。在零磁場下，電子和空穴攜帶相反的電荷，產(chǎn)生類螺旋型邊態(tài)輸運(yùn)。與量子自旋霍爾效應(yīng)不同，激子拓?fù)湫驘o需時間反演對稱的保護(hù)，在垂直磁場下這一對邊緣態(tài)不會打開能隙，而是在實(shí)空間分離，從而導(dǎo)致向類手征型輸運(yùn)轉(zhuǎn)變（如圖2d所示）。上述理論和實(shí)驗(yàn)的相互印證揭示了在電子-空穴雙層系統(tǒng)中由于阻挫和關(guān)聯(lián)效應(yīng)所產(chǎn)生的激子拓?fù)湫颉?/p>

圖2 (a) InAs/GaSb量子阱隨載流子濃度和垂直磁場變化的輸運(yùn)性質(zhì)；（b）和（c）在16T和35T下邊緣態(tài)電導(dǎo)接近量子化電導(dǎo)值；（d）在垂直磁場下，邊緣電導(dǎo)從類螺旋型向類手征型的轉(zhuǎn)變

該工作從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面揭示了一種新型的玻色子（激子）分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)，豐富了傳統(tǒng)的激子凝聚相圖，開辟了關(guān)聯(lián)玻色子系統(tǒng)中拓?fù)湮飸B(tài)研究的新方向。

論文理論部分由王銳副教授、王伯根教授，與麻省大學(xué)艾姆赫斯特分校的Tigran Sedrakyan副教授合作完成；實(shí)驗(yàn)部分由杜靈杰教授、北京大學(xué)杜瑞瑞教授合作完成。王銳為論文的第一作者，王伯根、杜靈杰、杜瑞瑞為論文的通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃物態(tài)調(diào)控項(xiàng)目、科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的支持。

來源：南京大學(xué)