Odd- and even-denominator fractional quantum Hall states in monolayer WSe$_2$

量子自旋霍尔效应 分数量子霍尔效应 量子力学 量子
作者
Qianhui Shi,En-Min Shih,Martin V. Gustafsson,Daniel Rhodes,Bumho Kim,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Zlatko Papic,James Hone,Cory Dean
出处
期刊:arXiv: Mesoscale and Nanoscale Physics 被引量:18
标识
DOI:10.1038/s41565-020-0685-6
摘要

Monolayer (ML) semiconducting transition-metal dichalcogenides (TMDs) represent a unique class of two-dimensional (2D) electron systems. Their atomically thin structure -- just like graphene -- facilitates gate-tunability, while the sizable band gap and strong spin-orbit coupling hold promise for properties beyond graphene. Measurements under large magnetic fields have revealed an unusual LL structure, distinct from other 2D electron systems. However, owing to limited sample quality and poor electrical contact, probing the lowest Landau levels (LLs) has been challenging, and observation of electron correlations within the fractionally filled LLs regime has not been possible. Here, through bulk electronic compressibility measurements, we investigate the LL structure of ML WSe$_2$ in the extreme quantum limit, and observe fractional quantum Hall (FQH) states in the lowest three LLs. The odd-denominator FQH sequences demonstrate a systematic evolution with the LL orbital index, which has not been observed in any other system but is consistent with generic theoretical expectations. In addition, we observe an even-denominator state in the second LL that is expected to host non-Abelian statistics. Our results suggest that the 2D semiconductors can provide an experimental platform that closely resembles idealized theoretical models in the quantum Hall regime.
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