Visualizing interaction-driven restructuring of quantum Hall edge states

Many topological phases host gapless boundary modes that can be markedly modified by electronic interactions. Even for the long-studied edge modes of quantum Hall phases, forming at the boundaries of two-dimensional electron systems, the nature of such interaction-induced changes has been elusive. Despite advances made using local probes, key experimental challenges persist: the lack of direct information about the internal structure of edge states on microscopic scales, and complications from edge disorder. Here we use scanning tunnelling microscopy to image pristine electrostatically defined quantum Hall edge states in graphene with high spatial resolution and demonstrate how correlations dictate the structures of edge channels on both magnetic and atomic length scales. For integer quantum Hall states in the zeroth Landau level, we show that interactions renormalize the edge velocity, dictate the spatial profile for co-propagating modes and induce unexpected edge valley polarization, which differs from the bulk. Although some of our findings can be understood by mean-field theory, others show breakdown of this picture, highlighting the roles of edge fluctuations and inter-channel couplings. We also extend our measurements to spatially resolve the edge state of fractional quantum Hall phases and detect spectroscopic signatures of interactions in this chiral Luttinger liquid. Our study establishes scanning tunnelling microscopy as a promising tool for exploring the edge physics of the rapidly expanding group of two-dimensional topological phases, including recently realized fractional Chern insulators.

Nature

2025

Electronic properties and materials

Quantum Hall

Many topological phases host gapless boundary modes that can be markedly modified by electronic interactions. Even for the long-studied edge modes of quantum Hall phases, f...

С помощью СТМ удалось напрямую увидеть, как взаимодействия между электронами перестраивают краевые каналы в квантовом эффекте Холла в графене.

Впервые визуализирована атомарная структура краевых состояний

Взаимодействия вызывают спонтанную краевую поляризацию по долинам (valley polarization), которая отличается от свойств объёма материала.

Обнаружена неожиданная спонтанная поляризация на краю

Наблюдаемые эффекты, такие как роль краевых флуктуаций и междолинного взаимодействия, не могут быть полностью объяснены в рамках упрощённой теории среднего поля.

Выявлены пределы теории среднего поля

Техника позволила исследовать краевые состояния фрактального квантового эффекта Холла и зафиксировать в них спектроскопические признаки сильных электронных корреляций.

Метод применим и к дробным состояниям

Недавно команда Али Яздани из Принстонского университета (США) сообщила о визуализации взаимодействием-индуцированной реконструкции краевых состояний в квантовом эффекте Холла. Результаты данного исследования были опубликованы в журнале Nature 17 декабря 2025 года.Во многих топологических фазах существуют безщелевые краевые состояния, свойства которых могут существенно зависеть от взаимодействий между электронами. Даже для наиболее изученных краевых состояний квантового эффекта Холла, формирующихся на границе двумерной электронной системы, сущность изменений, вызванных взаимодействиями, оставалась неуловимой. Несмотря на прогресс в локальных методах зондирования, ключевые экспериментальные проблемы сохранялись: отсутствие прямой информации о внутренней структуре краевых состояний на микроскопическом уровне и влияние неоднородностей края.Исследовательская группа использовала сканирующий туннельный микроскоп для получения изображений с высоким пространственным разрешением исходных краевых состояний квантового эффекта Холла, электростатически сформированных в графене. Это позволило выявить, как корреляционные эффекты совместно определяют структурные характеристики краевого канала как на магнитной, так и на атомной шкале длин. Для целочисленного квантового состояния Холла в нулевом уровне Ландау они обнаружили, что взаимодействия перенормируют скорость краевого состояния, определяют пространственное распределение совместно распространяющихся мод и индуцируют неожиданную спонтанную краевую поляризацию по долинам, отличную от поляризации в объёме. Хотя часть наблюдений можно объяснить в рамках теории среднего поля, другие явления выявили ограниченность этого подхода, подчеркнув решающую роль краевых флуктуаций и связи между каналами.Исследование также было расширено до пространственно-разрешённых измерений краевых состояний фрактального квантового эффекта Холла, где удалось зарегистрировать спектроскопические признаки взаимодействий в таких киральных жидкостях Латтинжера. Эта работа утверждает сканирующую туннельную микроскопию в качестве мощного инструмента для изучения физики краёв в двумерных топологических фазах — области, которая быстро развивается и охватывает недавно реализованные состояния, такие как фрактальный квантовый изолятор Черна.

Visualizing interaction-driven restructuring of quantum Hall edge states

Авторы

Jiachen Yu

Haotan Han

Kristina G. Wolinski

Ruihua Fan

Amir S. Mohammadi

Tianle Wang

Taige Wang

Liam Cohen

Kenji Watanabe

Takashi Taniguchi

Рекомендуем изучить