由南京大學（王銳副教授、杜靈杰教授、王伯根教授）、美國麻省大學艾姆赫斯特分校（Tigran Sedrakyan副教授）、北京大學（杜瑞瑞教授）組成的合作團隊在電子-空穴關聯系統中激子拓撲序的研究方面取得了重要進展。該工作于6月14日在《Nature》期刊上在線發表。

該工作在理論上提出了關聯激子由于阻挫效應導致強量子漲落所產生的玻色子拓撲序的新機制；實驗上在電子-空穴濃度不平衡的InAs/GaSb量子阱中觀察到了通過激子形成的時間反演對稱破缺的新型拓撲態，實驗與理論相結合，首次揭示了激子系統中的玻色子拓撲序。

分數量子霍爾效應是當代凝聚態物理的前沿研究熱點之一，相關研究曾獲1998年諾貝爾物理學獎。分數量子霍爾效應起源于電子的關聯效應，導致了拓撲序的產生，表現出長程量子糾纏，演生規范場和分數激發，在未來拓撲量子計算方面具有潛在的應用價值。一個自然的問題是：能否在相互作用玻色子系統中產生具有拓撲序的分數量子霍爾態？人們首先試圖在冷原子系統中進行研究，但多年以來仍處于探索階段。

該工作受到團隊成員前期關于阻挫自旋模型理論研究的啟發：當自旋系統中的硬核玻色子具有一圈高度簡并的能帶（稱為moat 能帶），相互作用的玻色子會產生很強的動能阻挫, 使得系統不能發生傳統的玻色凝聚, 而是形成具有拓撲序的手征自旋液體。

凝聚態物理中，電子和空穴可以發生配對，產生等效的玻色子，即激子，而InAs/GaSb反轉型量子阱可以提供研究激子基態的可控平臺。該工作研究了電子-空穴耦合的雙層系統，發現當電子和空穴濃度不平衡時，系統所產生的激子具有moat型能帶（如圖1左所示）。強阻挫效應使得激子不發生玻色凝聚，進而產生一類具有長程量子糾纏的激子拓撲序(excitonic topological order)，其物理圖像等價于激子形成的分數量子霍爾態。考慮到阻挫效應導致的量子漲落之后，系統的完整相圖如圖1右所示。相比于傳統的平均場理論結果，該工作發現量子漲落會導致在激子凝聚相中出現一個新的激子拓撲序區域。

在實驗上，團隊成員發現在電子和空穴濃度很不平衡的門電壓區域內（-2V到-3V），激子體態始終保持絕緣且存在著能隙，而在此前的研究中，激子絕緣體一般在電子空穴濃度相近時才出現。在該區域內，輸運測量揭示了體系存在著拓撲邊緣態，產生了一個拓撲激子絕緣區，如圖2a所示。奇異的是，隨著垂直磁場的增加，邊緣態輸運行為從零磁場下的類螺旋型（helical-like）逐漸轉變為類手征型（chiral-like）；最終在強磁場下，邊緣態電導接近量子化值（如圖2b,c）。上述實驗現象與傳統的霍爾效應截然不同，同時其磁阻行為也區別于量子自旋霍爾效應，無法用目前已知的拓撲物態理解。

激子拓撲序可以很好地解釋上述實驗現象。該拓撲序在電子、空穴濃度不平衡的區間中產生，并具有一對電子-空穴形成的手征邊緣態。在零磁場下，電子和空穴攜帶相反的電荷，產生類螺旋型邊態輸運。與量子自旋霍爾效應不同，激子拓撲序無需時間反演對稱的保護，在垂直磁場下這一對邊緣態不會打開能隙，而是在實空間分離，從而導致向類手征型輸運轉變（如圖2d所示）。上述理論和實驗的相互印證揭示了在電子-空穴雙層系統中由于阻挫和關聯效應所產生的激子拓撲序。

該工作從理論和實驗兩方面揭示了一種新型的玻色子（激子）分數量子霍爾態，豐富了傳統的激子凝聚相圖，開辟了關聯玻色子系統中拓撲物態研究的新方向。

論文理論部分由王銳副教授、王伯根教授，與麻省大學艾姆赫斯特分校的Tigran Sedrakyan副教授合作完成；實驗部分由杜靈杰教授、北京大學杜瑞瑞教授合作完成。王銳為論文的第一作者，王伯根、杜靈杰、杜瑞瑞為論文的通訊作者。該工作得到國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃物態調控項目、科學院先導項目等經費的支持。