复合费米子的量子反常霍尔绝缘体

最近，williamhill威廉希尔官网量子材料科学中心的施均仁教授与博士生张银寒在理论上提出了一种新型的具有分数霍尔效应的量子霍尔绝缘体，即复合费米子的量子反常霍尔绝缘体。该研究成果发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 113, 016801 (2014)]

早在1988年，F.D.M. Haldane就提出了一个基于六角晶格的模型，在无外磁场的情况下，也可以表现出量子霍尔效应，即所谓的量子反常霍尔绝缘体。这是第一个量子反常霍尔绝缘体的理论模型。然而，实现Haldane模型要求微观上交错的磁通分布，在实际体系中难于实现。故而，到目前为止，实验上并未能实现Haldane模型。

施均仁教授与张银寒同学提出，在另外一个体系中，即复合费米子体系中，通过施加一个弱六角周期势能，可以很方便地实现Haldane模型，形成所谓的复合费米子的量子反常霍尔绝缘体。复合费米子是一个电子和偶数个量子涡旋（磁通量子）组成的复合粒子。在强磁场下，由于电子-电子相互作用，高迁移率二维电子气体中的电子可以俘获外磁场的磁通，形成复合费米子。当外磁场的总量子磁通数刚好是总电子数的偶数倍时（偶数分母磁填充数），高迁移率二维电子气就会变成一个具有等效零磁场的复合费米液体。对这一体系施加一个弱六角周期势能，就能实现Haldane模型所要求的交错等效磁通分布。根据这一思路，施均仁教授与张银寒同学提出了实验装置（图1），计算了相图（图2），同时提出了这一体系的试探波函数，通过蒙特卡洛方法确定了实现这一新型拓扑绝缘体的可能参数范围。

需要特别提出的是，不同于通常的量子反常霍尔绝缘体，复合费米子的量子反常霍尔绝缘体是由周期外势和电子-电子相互作用共同驱动下产生的一种新型拓扑量子态，具有分数化的量子霍尔效应。这一体系如能实现，将能对反常量子霍尔效应分数化这一当前凝聚态物理的重要理论问题提供实验基础。

这项研究工作得到国家自然科学基金和国家重点基础研究发展规划(973计划)相关项目的资助。