题目：探索玻色子分数量子霍尔液体

报告人：杜瑞瑞

邀请人：王孝群

时间：2024年5月24日（周五）15:30-17:00

地点：紫金港校区海纳苑8幢215报告厅

摘要：

分数量子霍尔效应是当代凝聚态物理的最重要研究前沿之一，其发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。分数量子霍尔效应具有由于电子关联形成的拓扑序，呈现出长程量子纠缠，演生规范场和分数激发，对未来拓扑量子计算有潜在的应用前景。一个自然的问题就是：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？人们首先试图在冷原子系统中进行研究，但多年以来仍处于探索阶段。

在特定固体系统中电子和空穴可以发生配对, 产生等效的玻色子, 即激子, 而半导体砷化铟/锑化镓（InAs/GaSb）反转型量子阱可以提供研究激子态的可控平台。在电子与空穴浓度趋于非常稀释并且相等的条件下, 理论预言系统在低温下的基态为玻色-爱因斯坦凝（BEC）。近年来我们发现当电子和空穴浓度不平衡时，系统所产生的带有动量的激子占具所谓moat型能带，其呈现的强阻挫效应避免了激子凝聚相的出现，从而产生一类具有长程量子纠缠的激子拓扑序 (excitonic topological order)。考虑了阻挫效应，相比于传统的平均场理论结果，理论发现量子涨落会导致激子相图中出现一个比BEC能量更低的、新的激子拓扑序区域。

实验上发现电子和空穴浓度处于不平衡状态条件时体态能隙是连续打开的，并且该拓扑序产生一对电子-空穴的手征边缘态。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。理论和实验的进一步相互印证揭示了激子拓扑序是带半子（Semion) 的玻色劳夫林液体。目前实验的重点集中于用热输运测量半子以及研究拓扑序的自旋性质。该工作开辟了凝聚态物理的新领域，其研究对象包括玻色子分数量子霍尔效应、超固体、以及三维激子凝聚和超流态。

References 1. Evidence for a topological excitonic insulator in InAs/GaSb bilayers,

L. J. Du, X.W. Li, W.K. Lou, G. Sullivan, Kai Chang, J. C. Kono & R-R Du, Nature Comm. 8, 1971 (2017); 2. Excitonic topological order in imbalanced electron–hole bilayers, R. Wang, T. A. Sedrakyan, B. G. Wang, L. J. Du & R-R. Du. Nature 619, 57–62 (2023).

个人简介：

Prof. Rui-Rui Du is a Chair Professor (Director from 2015-2021) at the International Center for quantum Materials, Peking University. After graduating from Fudan, he studied at UIUC (Ph. D in Physics 1990), and was a Postdoctoral Research Fellow at Princeton/Bell Labs from 1990-1994. He then became a professor at the U. of Utah, and subsequently at Rice. His research interest is with fractional quantum Hall effect, low temperature quantum transport, topological materials based on semiconductor compounds, and quantum computing, and has published many papers in those areas, including some seminal works. He is a recipient of A. P. Sloan Research Fellow, APS Fellow, and the OYRA Ardentec Prize.