Aislante de Chern fraccional

Los aislantes de Chern fraccionarios (FCI) son generalizaciones reticulares del efecto Hall cuántico fraccionario que se han estudiado teóricamente desde 1993 ^{[ 1 ]} y se han estudiado con mayor intensidad desde principios de 2010. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Se predijo por primera vez su existencia en bandas planas topológicas que llevan números de Chern . Pueden aparecer en estructuras de banda topológicamente no triviales incluso en ausencia de los grandes campos magnéticos necesarios para el efecto Hall cuántico fraccionario. En principio, también pueden aparecer en bandas parcialmente llenas con estructuras de banda triviales si la interacción entre electrones es inusual. ^{[ 4 ]} Promete realizarciones físicas a campos magnéticos más bajos, temperaturas más altas y con escalas de longitud características más cortas en comparación con sus contrapartes del continuo. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Los FCI se estudiaron inicialmente añadiendo interacciones electrón-electrón ^{[ 7 ]} a un aislante de Chern fraccionalmente lleno , en modelos de un cuerpo donde la banda de Chern es casi plana, ^{[ 8 ] [ 9 ]} a campo magnético cero. Los FCI exhiben una conductancia de Hall cuantizada fraccional.

En trabajos anteriores a los estudios teóricos de los FCI, se demostró el análogo del estado de Laughlin en modelos de tipo Hofstadter . ^{[ 10 ] [ 11 ]} Las características esenciales de la topología de los estados de partícula única en dichos modelos aún provienen de la presencia de un campo magnético. Sin embargo, se demostró que en presencia de una red, los estados de Hall cuántico fraccionario pueden conservar su carácter topológico, en forma de números de Chern fraccionarios. ^{[ 12 ]} Se han propuesto teóricamente los aislantes de Chern: estados de partícula única que exhiben un efecto Hall cuantizado anómalo entero a campo cero. ^{[ 13 ]} El llenado fraccionario de dichos estados, en presencia de interacciones repulsivas, puede conducir al aislante de Chern fraccionario a campo cero. Estos FCI a veces no están conectados al efecto Hall cuántico fraccionario en los niveles de Landau . Este es el caso en bandas con número de Chern${\displaystyle |C|>1}$, ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} y son, por lo tanto, un nuevo tipo de estados inherentes a tales modelos de red. Se han explorado con respecto a sus excitaciones de cuasicarga, estados no abelianos y la física de defectos de torsión, ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} lo que puede ser conceptualmente interesante para la computación cuántica topológica .

Experimentalmente,${\displaystyle |C|>1}$Se han realizado aislantes de Chern sin un campo magnético. ^{[ 24 ]} Se ha afirmado que los FCI se han realizado experimentalmente en heteroestructuras de van der Waals , pero con un campo magnético externo del orden de 10 – 30 T y, más recientemente, FCI en un${\displaystyle |C|=1}$Se ha afirmado que se observan bandas en grafeno bicapa retorcido cerca del ángulo mágico , lo que requiere, una vez más, un campo magnético del orden de 5  T para "suavizar" la curvatura de Berry de las bandas. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Estos estados se han denominado FCI debido a su vínculo con la física de la red, ya sea en las bandas de Hofstadter o en la estructura de moiré , pero aún así requieren un campo magnético distinto de cero para su estabilización.

El requisito previo para un aislante de Chern fraccional de campo cero es el magnetismo. La mejor manera de tener magnetismo es tener una interacción de intercambio que polarice simultáneamente el espín. Este fenómeno en MoTe retorcido₂ en estados enteros y fraccionarios fue observado por primera vez por unde la Universidad de Washington. ^{[ 27 ]} En 2023, una serie de grupos informaron FCI a campo magnético cero ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} enMoTe₂ muestras. El grupo de la Universidad de Washington ^{[ 28 ]} identificó por primera vez el número fraccional de Chern de${\displaystyle \nu =-1}$,${\displaystyle \nu =-2/3}$y${\displaystyle \nu =-3/5}$estado con detección de emisión de triones . Los aislantes de Chern fraccionarios fueron descubiertos independientemente por el grupo de Cornell que realizó mediciones termodinámicas en${\displaystyle \nu =-1}$y${\displaystyle \nu =-2/3}$estado. Estas muestras, donde las bandas de moiré están bloqueadas por espín de valle, experimentan una transición de polarización de espín que da lugar a una${\displaystyle C=1}$Estado del aislante de Chern en el llenado entero${\displaystyle -1}$de las bandas de moiré. Al rellenar fraccionadamente en${\displaystyle -2/3}$y${\displaystyle -3/5}$, se desarrolla un estado con brecha con una pendiente fraccionaria en la fórmula de Streda, un sello distintivo de un FCI. Estos estados fraccionarios son idénticos a los FCI de campo magnético cero predichos. ^{[ 7 ]} Después de la medición de detección óptica, el grupo de la Universidad de Washington ^{[ 30 ]} informó por primera vez evidencia de transporte "contundente" del efecto Hall anómalo cuántico fraccionario que debería exhibir un aislante de Chern fraccionario de campo cero en${\displaystyle \nu =-1}$,${\displaystyle \nu =-2/3}$y${\displaystyle \nu =-3/5}$También identificaron un posible líquido de Fermi compuesto en${\displaystyle \nu =-1/2}$que imita el nivel de Landau semilleno para el gas de electrones 2D.${\displaystyle \nu =-1}$y${\displaystyle \nu =-2/3}$Los estados también son repetidos parcialmente por el grupo de Shanghái, mientras que el${\displaystyle \nu =-2/3}$La cuantización no es tan buena. ^{[ 31 ]} El ajuste completo de la física FCI en MoTe₂ , utilizando el modelo de partícula única propuesto en ^{[ 32 ]} , los experimentos aún presentan misterios intrigantes y sin resolver. Estos solo se abordaron parcialmente de forma teórica ^{[ 33 ]} , donde se trataron los problemas de los parámetros del modelo, la magnetización de la muestra y la aparición de algunos estados FCI (al llenar${\displaystyle -2/3}$y${\displaystyle -3/5}$) pero la ausencia de otros (hasta ahora en el llenado en${\displaystyle -1/3,-2/5}$) se abordan parcialmente.