激子拓撲序研究新進展

　　南京大學物理學院王銳、王伯根和杜靈杰等人與美國麻省大學艾姆赫斯特分校Tigran Sedrakyan和北京大學杜瑞瑞組成的聯合研究團隊在電子-空穴關聯系統中的激子拓撲序研究方面取得了進展。研究成果以“電子-空穴雙層中的激子拓撲序（Excitonic topological order in imbalanced electron-hole bilayers）”為題,于2023年6月14日發表于《自然》（Nature）。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06065-w。

　　分數量子霍爾效應是凝聚態物理研究的學術前沿之一，相關研究曾獲得1998年諾貝爾物理學獎。分數量子霍爾效應起源于電子的關聯效應，表現出長程量子糾纏、演生規范場和分數激發等拓撲現象，在未來拓撲量子計算方面具有潛在的應用價值。過去，能否在相互作用玻色子系統中產生具有拓撲序的分數量子霍爾態是長期困擾科學家們的重要難題。

　　本工作中，研究團隊發現在電子-空穴耦合的雙層系統中存在通過激子形成的分數量子霍爾態，即激子拓撲態。理論預言，當電子-空穴濃度不平衡時，系統所產生的激子具有moat型能帶（圖a），表現出強阻挫效應。在強阻挫效應的作用下，系統的量子漲落不可忽略，導致激子無法發生玻色凝聚，反而產生具有長程量子糾纏的拓撲序基態。量子漲落會在傳統的激子凝聚相圖中產生一個新的激子拓撲序相 (圖b)。通過系統地實驗，研究團隊找到了這種新型拓撲序存的實驗證據。在電子-空穴濃度不平衡的InAs/GaSb量子阱中，研究團隊觀察到一種具有時間反演對稱性破缺的拓撲激子態(圖c)，其邊緣態無需時間反演對稱的保護，且在外磁場下表現出新穎的從類螺旋型到類手征型的轉變(圖d和e)。上述實驗現象與傳統的霍爾效應、量子自旋霍爾效應不同，無法用已知的拓撲物態理解，然而與理論提出的激子拓撲序完美契合。這種新穎的激子拓撲序具有一對電子-空穴形成的手征邊緣通道。在零磁場下，電子和空穴攜帶相反的電荷，產生類螺旋型邊態輸運。與量子自旋霍爾效應不同，激子拓撲序無需時間反演對稱的保護，在垂直磁場下，這一對邊緣態不會打開能隙，而是在實空間分離，導致了邊緣態輸運向類手征型的轉變。

　　本工作不僅提出了激子拓撲序的理論框架，而且在電子-空穴雙層系統中揭示了這類新型拓撲序的實驗證據。該項工作完善了傳統的激子凝聚相圖，為關聯玻色子系統拓撲物態的研究提供了新思路。