分數量子霍爾效應是當代凝聚态物理的最重要研究前沿之一，其發現獲得了1998年諾貝爾物理學獎。分數量子霍爾效應具有由于電子關聯形成的拓撲序，呈現出長程量子糾纏，演生規範場和分數激發，對未來拓撲量子計算有潛在的應用前景。一個自然的問題是，能否在相互作用玻色子系統中産生具有拓撲序的分數量子霍爾态？人們首先試圖在冷原子系統中進行研究，但多年以來仍處于探索階段。

由南京大學beat365王銳副教授、杜靈傑教授、王伯根教授，美國麻省大學艾姆赫斯特分校物理系Tigran Sedrakyan副教授，beat365官方网站量子材料科學中心杜瑞瑞教授組成的合作團隊在該研究領域取得了關鍵進展。他們在砷化铟/銻化镓(InAs/GaSb)量子阱電子-空穴雙層系統中形成的激子系統中，觀察到了一種新型的零磁場下的玻色子拓撲序的實驗證據。該工作首次在理論上提出在關聯激子系統由于阻挫效應導緻強量子漲落進而産生玻色子拓撲序的新機制，系統地解釋了實驗結果。該工作于6月14日以“不平衡電子空穴雙層中的激子拓撲序”為題（Excitonic topological order in imbalanced electron-hole bilayers）在線發表于《自然》（Nature）期刊。

該工作受到團隊成員前期關于阻挫自旋模型理論研究的啟發：自旋系統中硬核玻色子具有一圈色散能帶（moat band），由于色散能帶的高度簡并，相互作用的玻色子産生很強的動能阻挫,使得系統不能發生傳統的硬核玻色子凝聚,而是形成具有拓撲序的手征自旋液體。

圖1（左）在雙層量子阱中的不平衡電子、空穴濃度形成的色散能帶。（右）雙層量子阱激子系統中的完整相圖。

凝聚态物理中，電子和空穴可以發生配對，産生等效的玻色子，即激子，而砷化铟/銻化镓反轉型量子阱可以提供研究激子基态的可控平台。該工作研究了電子-空穴耦合的雙層系統，發現當電子和空穴濃度不平衡時，系統所産生的激子具有moat型能帶（如圖1左所示),強阻挫效應避免了激子凝聚相的出現，從而産生一類具有長程量子糾纏的激子拓撲序(excitonic topological order)。考慮了阻挫效應導緻的量子漲落之後，系統的完整相圖如圖1右所示。相比于傳統的平均場理論結果，該工作發現量子漲落會導緻在激子絕緣相中出現一個新的激子拓撲序區域。

在實驗上，作者發現在一個電子和空穴濃度很不平衡的門電壓區域内（見圖2a-2c，-2V到-3V）,激子體态竟始終保持絕緣且存在着能隙，而在此前的研究中激子絕緣體态隻在電子空穴濃度相等時才出現。在這個區域内，輸運測量揭示了體系存在着拓撲邊緣态，産生了一個拓撲激子絕緣區，如圖2a所示。奇異的是，随着垂直磁場的增加，邊緣态輸運行為從零磁場下的類螺旋型(helical-like)逐漸轉變為類手征型(chiral-like)，最終在強磁場下邊緣态電導接近量子化值（如圖2b,2c)。上述實驗現象與傳統的霍爾效應截然不同，同時其磁阻行為也區别于量子自旋霍爾效應，無法用目前已知的對稱性保護的拓撲物态理論所理解。

激子拓撲序可以很好地解釋上述實驗現象，其體态能隙依賴于電子和空穴濃度不平衡狀态，并且該拓撲序産生一對電子-空穴的手征邊緣态。在零磁場下，電子和空穴攜帶相反的電荷，産生類螺旋型邊态輸運。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态不會打開能隙，而是在實空間分離，從而導緻向類手征型輸運的轉變（如圖2d所示)。上述理論和實驗的相互印證揭示了在電子-空穴雙層系統中由于阻挫和關聯效應所産生的激子拓撲序。

圖2 (a) 砷化铟/銻化镓量子阱随載流子濃度和垂直磁場變化的輸運性質。（b）和（c）在16T和35T下邊緣态電導接近量子化電導值。（d）在磁場下邊緣電導從類螺旋型到類手征型的轉變。

該工作從理論和實驗兩方面揭示了一種新型的玻色子分數量子霍爾态，豐富了傳統的電子-空穴系統相圖，開辟了關聯玻色子系統拓撲物态研究的新方向。《科學通報》（Science Bulletin）雜志邀請西湖大學理論科學研究院、理學院吳從軍教授對該工作撰寫題為“Moat-band物理學中的激子拓撲序”（Excitonic topological order in the moat-band physics）的專文評述。

論文理論部分由王銳、王伯根、Tigran Sedrakyan合作完成，實驗部分由杜靈傑、杜瑞瑞合作完成。王銳為論文的第一作者，杜瑞瑞、王伯根、杜靈傑為通訊作者。 該工作得到國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃物态調控項目、科學院先導項目等經費的支持。

全文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06065-w

評述鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323003808