複合費米子的量子反常霍爾絕緣體

最近，beat365量子材料科學中心的施均仁教授與博士生張銀寒在理論上提出了一種新型的具有分數霍爾效應的量子霍爾絕緣體，即複合費米子的量子反常霍爾絕緣體。該研究成果發表于《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 113, 016801 (2014)]

早在1988年，F.D.M. Haldane就提出了一個基于六角晶格的模型，在無外磁場的情況下，也可以表現出量子霍爾效應，即所謂的量子反常霍爾絕緣體。這是第一個量子反常霍爾絕緣體的理論模型。然而，實現Haldane模型要求微觀上交錯的磁通分布，在實際體系中難于實現。故而，到目前為止，實驗上并未能實現Haldane模型。

施均仁教授與張銀寒同學提出，在另外一個體系中，即複合費米子體系中，通過施加一個弱六角周期勢能，可以很方便地實現Haldane模型，形成所謂的複合費米子的量子反常霍爾絕緣體。複合費米子是一個電子和偶數個量子渦旋（磁通量子）組成的複合粒子。在強磁場下，由于電子-電子相互作用，高遷移率二維電子氣體中的電子可以俘獲外磁場的磁通，形成複合費米子。當外磁場的總量子磁通數剛好是總電子數的偶數倍時（偶數分母磁填充數），高遷移率二維電子氣就會變成一個具有等效零磁場的複合費米液體。對這一體系施加一個弱六角周期勢能，就能實現Haldane模型所要求的交錯等效磁通分布。根據這一思路，施均仁教授與張銀寒同學提出了實驗裝置（圖1），計算了相圖（圖2），同時提出了這一體系的試探波函數，通過蒙特卡洛方法确定了實現這一新型拓撲絕緣體的可能參數範圍。

需要特别提出的是，不同于通常的量子反常霍爾絕緣體，複合費米子的量子反常霍爾絕緣體是由周期外勢和電子-電子相互作用共同驅動下産生的一種新型拓撲量子态，具有分數化的量子霍爾效應。這一體系如能實現，将能對反常量子霍爾效應分數化這一當前凝聚态物理的重要理論問題提供實驗基礎。

這項研究工作得到國家自然科學基金和國家重點基礎研究發展規劃(973計劃)相關項目的資助。