激子拓扑序研究新进展

　　南京大学物理学院王锐、王伯根和杜灵杰等人与美国麻省大学艾姆赫斯特分校Tigran Sedrakyan和北京大学杜瑞瑞组成的联合研究团队在电子-空穴关联系统中的激子拓扑序研究方面取得了进展。研究成果以“电子-空穴双层中的激子拓扑序（Excitonic topological order in imbalanced electron-hole bilayers）”为题,于2023年6月14日发表于《自然》（Nature）。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06065-w。

　　分数量子霍尔效应是凝聚态物理研究的学术前沿之一，相关研究曾获得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，表现出长程量子纠缠、演生规范场和分数激发等拓扑现象，在未来拓扑量子计算方面具有潜在的应用价值。过去，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是长期困扰科学家们的重要难题。

　　本工作中，研究团队发现在电子-空穴耦合的双层系统中存在通过激子形成的分数量子霍尔态，即激子拓扑态。理论预言，当电子-空穴浓度不平衡时，系统所产生的激子具有moat型能带（图a），表现出强阻挫效应。在强阻挫效应的作用下，系统的量子涨落不可忽略，导致激子无法发生玻色凝聚，反而产生具有长程量子纠缠的拓扑序基态。量子涨落会在传统的激子凝聚相图中产生一个新的激子拓扑序相 (图b)。通过系统地实验，研究团队找到了这种新型拓扑序存的实验证据。在电子-空穴浓度不平衡的InAs/GaSb量子阱中，研究团队观察到一种具有时间反演对称性破缺的拓扑激子态(图c)，其边缘态无需时间反演对称的保护，且在外磁场下表现出新颖的从类螺旋型到类手征型的转变(图d和e)。上述实验现象与传统的霍尔效应、量子自旋霍尔效应不同，无法用已知的拓扑物态理解，然而与理论提出的激子拓扑序完美契合。这种新颖的激子拓扑序具有一对电子-空穴形成的手征边缘通道。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，导致了边缘态输运向类手征型的转变。

　　本工作不仅提出了激子拓扑序的理论框架，而且在电子-空穴双层系统中揭示了这类新型拓扑序的实验证据。该项工作完善了传统的激子凝聚相图，为关联玻色子系统拓扑物态的研究提供了新思路。