南京大学物理学院王锐副教授、杜灵杰教授、王伯根教授与美国麻省大学大学艾姆赫斯特分校Tigran Sedrakyan副教授、北京大学杜瑞瑞教授组成的联合合作团队在电子-空穴关联系统中激子拓扑序的研究方面取得了重大进展。该工作在理论上提出了关联激子由于阻挫效应导致强量子涨落所产生的玻色子拓扑序的新机制；实验上在电子-空穴浓度不平衡的InAs/GaSb量子阱中观察到了通过激子形成的时间反演对称破缺的新型拓扑态。该合作团队以实验与理论相结合，首次揭示了激子系统中的玻色子拓扑序。该研究成果以 “Excitonic topological order in imbalanced electron-hole bilayers” 为题于2023年6月14日在线发表在顶级期刊《自然》[DOI: 10.1038/s41586-023-06065-w]上。
该研究工作的理论部分由南京大学物理学院王锐副教授、王伯根教授与麻省大学艾姆赫斯特分校的Tigran Sedrakyan副教授合作完成；实验部分由南京大学物理学院杜灵杰教授、北京大学杜瑞瑞教授合作完成。南京大学为论文的第一单位，王锐副教授为论文的第一作者，王伯根教授、杜灵杰教授、杜瑞瑞教授为论文的通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划物态调控项目、科学院先导项目等经费的支持，在此表示感谢。
分数量子霍尔效应是当代凝聚态物理的前沿研究热点之一，获得了1998年诺贝尔物理学奖。分数量子霍尔效应起源于电子的关联效应，导致了拓扑序的产生，表现出长程量子纠缠，演生规范场和分数激发，在未来拓扑量子计算方面具有潜在的应用价值。一个自然的问题就是：能否在相互作用玻色子系统中产生具有拓扑序的分数量子霍尔态？人们首先试图在冷原子系统中进行研究，但多年以来仍处于探索阶段。
该工作受到团队成员前期关于阻挫自旋模型理论研究的启发：当自旋系统中的硬核玻色子具有一圈高度简并的能带 (称为moat能带)，相互作用的玻色子会产生很强的动能阻挫，使得系统不能发生传统的玻色凝聚，而是形成具有拓扑序的手征自旋液体。
图1 (a) 在电子-空穴密度不平衡的双层量子阱中形成的moat能带。(b) 双层量子阱激子系统中的完整相图。
凝聚态物理中，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，发现当电子和空穴浓度不平衡时，系统所产生的激子具有moat型能带 (如图1 a所示)。强阻挫效应使得激子不发生玻色凝聚，进而产生一类具有长程量子纠缠的激子拓扑序 (excitonic topological order)，其物理图像等价于激子形成的分数量子霍尔态。考虑到阻挫效应导致的量子涨落之后，系统的完整相图如图1 b所示。相比于传统的平均场理论结果，该工作发现量子涨落会导致在激子凝聚相中出现一个新的激子拓扑序区域。
在实验上，团队成员发现在电子和空穴浓度很不平衡的门电压区域内 (-2 V到-3 V)，激子体态始终保持绝缘且存在着能隙，而在此前的研究中，激子绝缘体一般在电子空穴浓度相近时才出现。在该区域内，输运测量揭示了体系存在着拓扑边缘态，产生了一个拓扑激子绝缘区，如图2 a所示。奇异的是，随着垂直磁场的增加，边缘态输运行为从零磁场下的类螺旋型 (helical-like) 逐渐转变为类手征型 (chiral-like)；最终在强磁场下，边缘态电导接近量子化值 (如图2 b, c)。上述实验现象与传统的霍尔效应截然不同，同时其磁阻行为也区别于量子自旋霍尔效应，无法用目前已知的拓扑物态理解。
激子拓扑序可以很好地解释上述实验现象。该拓扑序在电子、空穴浓度不平衡的区间中产生，并具有一对电子-空穴形成的手征边缘态。在零磁场下，电子和空穴携带相反的电荷，产生类螺旋型边态输运。与量子自旋霍尔效应不同，激子拓扑序无需时间反演对称的保护，在垂直磁场下这一对边缘态不会打开能隙，而是在实空间分离，从而导致向类手征型输运转变 (如图2 d所示)。上述理论和实验的相互印证揭示了在电子-空穴双层系统中由于阻挫和关联效应所产生的激子拓扑序。
图2 (a) InAs/GaSb量子阱随载流子浓度和垂直磁场变化的输运性质。(b, c) 在16 T和35 T下边缘态电导接近量子化电导值。(d) 在垂直磁场下，边缘电导从类螺旋型向类手征型的转变。
该工作从理论和实验两方面揭示了一种新型的玻色子（激子）分数量子霍尔态，丰富了传统的激子凝聚相图，开辟了关联玻色子系统中拓扑物态研究的新方向。
论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-023-06065-w | 
