【项目名称】

分数量子反常霍尔效应的实验观测

【项目负责人】

李听昕 

【项目完成人】

李听昕、刘晓雪、姜生伟、史志文、贾金锋、徐凡、孙政、贾童童、刘畅

 【项目完成单位】

物理与天文学院、李政道研究所

 【项目简介】

量子霍尔效应在凝聚态物理研究中占据着极其重要的位置，其相关研究曾三次获得诺贝尔物理学奖。其中，分数量子霍尔效应具有电子关联引起的拓扑序，呈现出分数电荷激发等奇异的性质。不过，分数量子霍尔效应的观测需要依托强磁场和极低温环境，这在一定程度上限制了其在拓扑量子计算等领域的应用前景。一个重要的科学问题随之产生：能否在零磁场条件下实现分数量子反常霍尔效应？自2011年以来，尽管理论研究工作肯定了分数量子反常霍尔效应在拓扑平带中存在的可能性，但在实验层面始终未能找到合适的材料体系来实现这一效应。

项目研究团队基于转角二维半导体二碲化钼（MoTe2）莫尔超晶格体系，攻克了低温下对转角MoTe2实现欧姆接触、制备均匀莫尔超晶格结构等一系列技术难题，通过开展系统的低温量子输运实验，首次给出了分数量子反常霍尔效应的确凿实验证据，并揭示了转角MoTe2体系拓扑平带中受栅极调节的丰富量子物态。相关研究成果以“Observation of Integer and Fractional Quantum Anomalous Hall Effects in Twisted Bilayer MoTe2”为题，于2023年9月27日发表于Physical Review X上，迄今被引近600次（谷歌学术）。

分数量子反常霍尔效应的实验观测是凝聚态物理领域的一项突破性进展，在国际凝聚态物理学界产生了引人瞩目的影响。Nature出版的“News & Views”评论文章指出该项研究工作与美国华盛顿大学团队同期开展的另一项独立研究工作共同首次为分数量子反常霍尔效应提供了确定性的证据。分数量子反常霍尔效应的实验观测开启了零磁场条件下研究分数电荷激发、任意子统计等新奇物性的大门，为拓扑量子计算等研究提供了新的机遇。

图 (a) 两层MoTe₂转角形成的莫尔超晶格结构示意；(b) 实验团队原创的新型器件结构示意；(c) 实验测得的低温下转角MoTe₂中分数量子反常霍尔效应的霍尔电阻随磁场的变化关系；(d) 反常霍尔电导随莫尔超晶格填充因子的变化，可见整数（e²/h）与分数(2e²/3h)量子化反常霍尔电导平台。