Experimental signature of the parity anomaly in a semi-magnetic topological insulator

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作者
Masataka Mogi,Y. Okamura,Minoru Kawamura,Ryutaro Yoshimi,K. Yasuda,Atsushi Tsukazaki,Kei Takahashi,Takahiro Morimoto,Naoto Nagaosa,Masashi Kawasaki,Y. Takahashi,Y. Tokura
出处
期刊:Nature Physics [Springer Nature]
卷期号:18 (4): 390-394 被引量:44
标识
DOI:10.1038/s41567-021-01490-y
摘要

A three-dimensional topological insulator features a two-dimensional surface state consisting of a single linearly-dispersive Dirac cone. Under broken time-reversal symmetry, the single Dirac cone is predicted to cause half-integer quantization of Hall conductance, which is a manifestation of the parity anomaly in quantum field theory. However, despite various observations of quantization phenomena, the half-integer quantization has been elusive because a pair of equivalent Dirac cones on two opposing surfaces are simultaneously measured in ordinary experiments. Here we demonstrate the half-integer quantization of Hall conductance in a synthetic heterostructure termed a 'semi-magnetic' topological insulator, where only one surface state is gapped by magnetic doping and the opposite one is non-magnetic and gapless. We observe half quantized Faraday/Kerr rotations with terahertz magneto-optical spectroscopy and half quantized Hall conductance in transport at zero magnetic field. Our results suggest a condensed-matter realization of the parity anomaly and open a way for studying unconventional physics enabled by a single Dirac fermion.
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