物理学家发现隐藏在量子世界中的新物质状态

拓扑序是一种新奇的量子相，它具有长程量子纠缠和非阿贝尔任意子激发。拓扑序的一个典型例子是分数量子霍尔(FQH)效应 ，它是在强关联和强磁场下的二维电子系统中发现的。然而，在零磁场下，实现拓扑序的条件更加苛刻，需要有强烈的关联和挫折效应 。

在半导体中，电子和空穴可以形成玻色子对，称为激子。激子可以在电子-空穴（e-h）双层中自发形成，为实现拓扑序提供了一个新的途径。在平衡e-h密度的系统中，倾向于形成零动量激子的BCS-like凝聚，导致拓扑平凡的激子绝缘体。然而，在不平衡e-h密度的系统中，由于密度差引入的强挫折效应，激子可以形成一个“护城河带” ，即能带最小值构成一个简并环。这种情况下，激子-激子相互作用变得占主导地位，产生了新的物理现象：破坏时间反演对称性的激子拓扑序（ETO）。

ETO是一种具有分数化激发和非零陈数的拓扑序。它与FQH效应有类似之处，但也有本质的区别：ETO是在零磁场下出现的，并且是由玻色型激子而不是费米型电子组成的。ETO的实验观测一直是一个挑战，因为它需要满足一系列条件：高质量的e-h双层结构、足够低的温度、精确控制的密度差、以及敏感的边缘输运测量。

最近，在浅反转InAs/GaSb量子阱中，一组研究人员成功地观察到了ETO相，论文已经发表在《自然》杂志上。他们利用了InAs/GaSb量子阱特有的能带反转特性 ，在不同温度和外加电压下测量了样品的电阻率和霍尔电导率。他们发现，在零磁场下，当e-h密度差达到一定值时，样品出现了一个巨大的体能隙，并伴随着类似于螺旋输运的边缘通道。当垂直磁场增加时，体能隙保持不变，但霍尔电导率出现了一个异常的平台，表明边缘输运从类似于螺旋的变成了类似于手性的，且霍尔电导率约等于e²/h。这些实验结果与理论预言的ETO相的特征一致。

为了理解ETO相的物理机制，研究人员建立了一个有效的玻色型哈伯德模型，考虑了激子的动能、激子-激子相互作用、以及密度差引起的挫折效应。他们发现，当密度差足够大时，激子能带形成了一个护城河带 ，即能带最小值构成一个简并环。在这种情况下，激子-激子相互作用产生了新的物理效应：它们在动量空间中引入了一个涡旋场，导致了激子波函数的相位旋涡。这种相位旋涡破坏了时间反演对称性，并且使得激子系统具有非零的陈数。这就是ETO相的本质。

ETO相是一种新颖的拓扑序，它在零磁场下出现，并且由玻色型激子而不是费米型电子组成。它是由密度差引起的强挫折效应和激子-激子相互作用共同作用的结果。ETO相具有分数化激发和非零陈数，类似于FQH效应，但也有本质的区别。ETO相在InAs/GaSb量子阱中的实验观察为拓扑和关联玻色系统的研究开辟了一个新的方向，超越了对称性保护拓扑相的框架，包括但不限于玻色型FQH效应。