研究背景
半充滿的最低朗道能級是研究相互作用拓撲相的一個常用的平臺。其中一個著名的例子是復合費米液（composite Fermi liquid），它是一種在強磁場下由復合費米子形成的非費米液相。而其零場對應物被預測存在于扭曲的二層MoTe2（tMoTe2）中。tMoTe2是一種最近發現的分數量子Chern絕緣體，表現出分數量子反常霍爾效應。盡管在填充因子ν=?1/2的傳輸測量中顯示出與零場復合費米液相一致的特征，但需要新的探針來進一步研究該狀態及其基本激發。為了解決這一問題，美國華盛頓大學許曉棟課題組在“Nature”期刊上發表了題為“Trion sensing of a zero-field composite Fermi liquid”的最新論文。在本研究中，作者利用tMoTe2獨特的谷特性，報告了零場復合費米液的光學特征。作者測量了三離子光致發光的圓偏振度隨空穴摻雜和電場的變化。結果發現，在表現出穩健鐵磁性的相空間內，費米液狀態的圓偏振度接近1。然而，在整數和分數Chern絕緣體以及靠近ν=?1/2的一段空穴摻雜范圍內，圓偏振度被顯著抑制。溫度、光激發功率和電場依賴性的測量表明，圓偏振度的抑制是Chern絕緣體（或復合費米液）電子激發能隙（偽能隙）的直接結果：由于形成三離子所需的局域自旋極化激發被強烈抑制，在相應的填充因子下，三離子的形成依賴于光學生成的無極化游離空穴。
研究亮點
（1）實驗通過測量三離子光致發光的圓偏振度（圓偏振度），首次揭示了零場復合費米液的光學響應特征。這種零場復合費米液在扭曲雙層MoTe2（tMoTe2）中被預測存在，其表現出分數量子反常霍爾效應，是零磁場下的分數量子Chern絕緣體的重要組成部分。（2）實驗通過三離子光致發光測量和系統性參數調控，揭示了Chern絕緣體和零場復合費米液的關鍵特性
- 圓偏振度變化：在穩健鐵磁性相空間內，費米液狀態的圓偏振度圓偏振度接近1；但在整數和分數Chern絕緣體以及靠近ν=?1/2的填充因子范圍內，圓偏振度顯著降低，反映了電子激發能隙（偽能隙）的存在。
- 外界條件依賴性：通過溫度、光激發功率和電場的依賴性測量，驗證了這種圓偏振度的抑制是由Chern絕緣體和復合費米液的電子激發能隙引起的。
- 機制解析：由于形成三離子所需的自旋極化激發在這些態下被強烈抑制，三離子的生成依賴于光學生成的無極化游離空穴。
圖文解讀
圖2:在陳氏Chern絕緣體態時，三激子光致發光螺旋度helicity的抑制。圖3: 鐵磁性和三激子光致發光螺旋度和溫度依賴性的相空間比較。圖4: 在零磁場復合費米液體composite Fermi liquid，CFL相中，三激子Trion光致發光螺旋度的抑制。
總結展望
本文展示了三離子光致發光的圓偏振度（helicity）作為零場分數量子Chern絕緣體（FCI）tMoTe2相圖的敏感探針，能夠區分自旋-谷極化費米液體與Chern絕緣體及假設的零場復合費米液（CFL）相。該結果突顯了光學、磁性和拓撲性質在該系統中的緊密對應。接近ν=?1/2時，三離子光致發光的圓偏振度與普通自旋-谷極化費米液的低能電子激發的費米面特征明顯不同。該現象可以通過CFL相的偽能隙性質來解釋。作者的結果為零場復合費米液相以及Chern絕緣體狀態的存在提供了支持，并為其提供了新的視角，此外還進一步驗證了已有的運輸實驗結果。進一步的微觀理論將有助于建立在零磁場下分數量子電荷存在的情況下三離子激發和弛豫的行為——這一行為是tMoTe2零場FCI特有的。此外，強耦合的磁性和光學響應表明可能通過光學方式控制磁序，或許可以利用螺旋共振激光脈沖實現。基于這些結果，原位控制磁疇的可能性對于設計任意子干涉儀——或許，未來的拓撲保護量子比特——具有重要價值。Anderson, E., Cai, J., Reddy, A.P. et al. Trion sensing of a zero-field composite Fermi liquid. Nature 635, 590–595 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-08134-0
