中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-041）——在双层半导体量子阱中揭示激子分数量子霍尔态

1

工作简介

         ——在双层半导体量子阱中揭示激子分数量子霍尔态

分数量子霍尔效应首先在半导体电子关联系统中被发现，是凝聚态物理的一座里程碑。它揭示了超越朗道范式的拓扑物态，获1998年诺贝尔物理学奖，在拓扑量子计算方面具有潜在的应用价值。此前的研究集中在费米子（电子或空穴）系统，然而一个长期困扰科学家们的重要难题是：能否在玻色子系统中实现类似的分数量子霍尔态？人们一直试图在冷原子系统中进行研究，但目前在实验上仍处于探索阶段。
针对这一问题，南京大学和北京大学的课题组合作研究取得重要突破，通过实验与理论相结合，首次在InAs/GaSb量子阱的二维电子空穴体系中揭示了一种全新的在零磁场下由激子产生的分数量子霍尔态—激子拓扑序。
电子和空穴可以发生配对，产生等效的玻色子，即激子，而InAs/GaSb反转型量子阱（图1a,1b）可以提供研究激子基态的可控平台。该工作研究了电子-空穴耦合的双层系统，理论上提出了关联激子由于阻挫效应导致强量子涨落，进而产生拓扑序的新机制。当电子-空穴浓度不平衡时，激子的色散在动量空间呈现高度简并（图1c），具有强阻挫效应。这使得激子难以发生玻色凝聚，而是产生一种时间反演对称性自发破缺的零磁场激子分数量子霍尔态，并表现出一对电子-空穴形成的手征激子边缘态。该研究在自上世纪60年代以来人们熟知的激子凝聚相图中发现了一个全新的激子拓扑序相 (图1d)。_{图1. （a）InAs/GaSb反转型双层量子阱。（b）电子空穴反转型能带。（c）在电子-空穴浓度不平衡的量子阱中形成的高度简并能带。（d）激子系统中的完整相图。}

实验方面，研究团队在InAs/GaSb量子阱中观察到了零磁场激子分数量子霍尔态的证据。零磁场下，在电子和空穴浓度不平衡的区间内观察到显著的激子体能隙（图2a）。此外，输运测量揭示了体系边缘态在零磁场下具有螺旋型输运特征。随着垂直磁场的增加，体态能隙保持打开（图2b），而边缘态呈现出的霍尔平台特征以及平台电阻的增加（图2c），表现出了从螺旋型（helical）到手征型（chiral）信号的转变；在强磁场下，边缘态霍尔电导最终到达量子化值（图2d,e）。

_{图2. （a）在InAs/GaSb量子阱电子和空穴浓度很不平衡区域存在体态能隙。（b）体态电导随载流子浓度和垂直磁场变化的输运性质。（c）在垂直磁场下手征激子边缘态依然存在，呈现出霍尔平台特征。（d, e）在16T和35T下边缘态霍尔电导接近量子化值。}
上述现象无法通过已知的拓扑物态进行理解，而与理论提出的激子分数量子霍尔效应完美契合。在零磁场下，手征激子边缘态的电子和空穴携带相反电荷，产生了螺旋型边缘态输运。在垂直磁场下，由于该边缘态无需时间反演对称的保护，不会打开能隙，而是在实空间分离，导致了边缘态输运向手征型转变（图3）。
_{图3. 在垂直磁场下，手征激子边缘态在实空间分离，输运信号从螺旋型向手征型转变。}
理论和实验的相互印证证实了InAs/GaSb量子阱二维电子空穴气在零磁场下发生了时间反演对称性的自发破缺，产生了全新的激子分数量子反常霍尔态，其有可能成为拓扑量子计算的载体。该工作为关联玻色子系统中拓扑序的研究开辟了新方向。
这项研究刊发于《自然》期刊 (Nature 619, 57 (2023))，论文第一作者是南京大学王锐副教授，通讯作者是南京大学王伯根教授、杜灵杰教授和北京大学杜瑞瑞教授。

2

作者简介

第一作者

王锐，博士生导师，南京大学副教授，国家优秀青年基金获得者。

2017年获南京大学博士学位，2017年至2019年在上海交通大学从事博士后研究工作，2019年任南京大学物理学院副研究员，2021年任副教授。长期从事强关联和拓扑方向的理论研究，做出了一系列创新成果。迄今共发表 SCI 论文30余篇，其中第一及通讯作者 SCI 论文20余篇，包括 Nature 1 篇，PRL 3篇， Nature 子刊 2 篇。

通讯作者

王伯根，南京大学物理学院院长，博士生导师，南京大学教授，国家杰出青年基金获得者，长江学者特聘教授。

主要从事凝聚态物理理论研究，在发展低维量子结构电荷及自旋输运理论、揭示关联系统拓扑新物态、致力理论和实验融合等方面做出了系统性创新研究成果，共发表SCI论文150余篇（包括Nature 1篇、Nature子刊12篇、PRL 12篇、PRB 55篇），论文共被Nature、Science、Review of Modern Physics等SCI期刊他引6400余次。

通讯作者

杜灵杰，博士生导师，南京大学教授，国家海外高层次青年人才。

2008年和2011年分别获南京大学物理学学士和硕士学位，2016年获莱斯大学博士学位，2016年至2019年在哥伦比亚大学从事博士后研究工作，2019年入职南京大学物理学院。研究方向是利用低温量子输运和光学等手段研究凝聚态体系中的新奇拓扑和多体效应。在 Nature，Nature和Science子刊，PRL等学术期刊发表论文20余篇。

通讯作者

杜瑞瑞，现任北京大学物理学院国际量子材料中心（ICQM）讲席教授。

毕业于复旦大学物理系。获美国U of Illinois Urbana-Champaign 物理学博士（1990年），在Princeton U 和Bell Lab 任博士后研究员，历任U of Utah 物理系教授和Rice U. 物理和天文系教授。2015年至2020年任北京大学ICQM 中心主任。杜瑞瑞教授在分数霍尔效应、半导件二维电子气和拓扑量子材料的基础研究方面作出了最前沿的工作，是该领域国际领军人物。获得主要荣誉包括美国斯隆研究奖、海外华人物理天文学杰出青年研究奖、美国物理学会会士。

3

原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06065-w

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。2023年，JOS首获影响因子为5.1，排在凝聚态物理学科20/76。

“半语-益言”系列讲座

借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：

https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68

2023年第四季直播讲座将不定期举办，敬请关注。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！