Spontaneous fractional Chern insulators in transition metal dichalcogenide moiré superlattices

超晶格 凝聚态物理 物理 异质结 量子霍尔效应 库仑 分数量子霍尔效应 拓扑绝缘体 对称(几何) Chern类 量子力学 电子 量子自旋霍尔效应 数学 几何学
作者
Heqiu Li,Umesh Kumar,Kai Sun,Shi‐Zeng Lin
出处
期刊:Physical review research [American Physical Society]
卷期号:3 (3) 被引量:116
标识
DOI:10.1103/physrevresearch.3.l032070
摘要

Moir{\'e} superlattice realized in two-dimensional heterostructures offers an exciting platform to access strongly-correlated electronic states. In this work, we study transition metal dichalcogenides (TMD) Moir{\'e} superlattices with time-reversal-symmetry and nontrivial spin{/valley}-Chern numbers. Utilizing realistic material parameters and the method of exact diagonalization, we find that at a certain twisting angle and fractional filling, gapped fractional topological states, i.e., fractional Chern insulators, are naturally {stabilized} by simply introducing the Coulomb repulsion. In contrast to fractional quantum Hall systems, where the time-reversal symmetry has to be broken explicitly, these fractional states break the time-reversal symmetry spontaneously. {We show that the Chern number contrasting in the opposite valleys imposes a strong constraint on the nature of fractional Chern insulator and the associated low energy excitations.} We also propose to realize the non-abelian Moore-Read state in TMD Moir{\'e} superlattice sandwiched between nonlinear dielectric media.
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