[論文レビュー] Chiral Kondo Lattice in Doped MoTe$_2$/WSe$_2$ Bilayers

Daniele Guerci, Jie Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2022

Advanced Chemical Physics Studies被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、ドーピングされたMoTe₂/WSe₂バイレイヤーにおいて、層間電子トンネルが位相的Kondo交換を誘発し、degeneracyを解除してキラルなBerry曲率を生成するキラルKondo格子を提案する。この系は、小さなフェルミ表面磁性体と大きなフェルミ表面ヘヴィフェルミ液体の間で一次転移を示し、トポロジカルなハイブリダイゼーションギャップに起因して整数化されたチャーン数と頑健な異常ホール効果を示す。

ABSTRACT

We theoretically study the interplay between magnetism and a heavy Fermi liquid in the AB stacked transition metal dichalcogenide bilayer system MoTe$_2$/WSe$_2$ in the regime in which the Mo layer supports localized magnetic moments coupled by interlayer electron tunnelling to a weakly correlated band of itinerant electrons in the W layer. We show that the interlayer electron transfer leads to a chiral Kondo exchange, with consequences including a strong dependence of the Kondo temperature on carrier concentration, a topological hybridization gap and an anomalous Hall effect. The theoretical model exhibits two phases, a small Fermi surface magnet and a large Fermi surface heavy Fermi liquid; the transition between them is first order. A low-energy theory is developed for the the transport properties of the two states. Implications of our results for present and future experiments on MoTe$_2$/WSe$_2$ bilayer heterostructures are discussed.

研究の動機と目的

• ABスタックされたバイレイヤーにおけるMoTe₂の局在的スピンモーメントとWSe₂の自由電子の間の相乗作用を調査すること。
• 層間電子トンネルがキラルKondo交換相互作用をどのように誘発するかを理解すること。
• Kondo格子状態におけるトポロジカル秩序と異常ホール効果の出現を探索すること。
• キャリア濃度および電圧シフト場を関数として、系の相図をマッピングすること。
• チューナブルなヘテロ構造において、トポロジカル選択的モット転移を観測するための制御可能なプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 各層に異なるモアレバンドを有するMoTe₂/WSe₂バイレイヤーの低エネルギー連続モデルを構築する。
• Kondo交換結合を $ J_K \sim t_h^2 / \Delta $ としてモデル化し、$ t_h $ は層間遷移、$ \Delta $ はエネルギーオフセットを表す。
• 小さなフェルミ表面磁性体と大きなフェルミ表面ヘヴィフェルミ液体の間の転移を平均場的手法で分析する。
• Kubo公式からのチャーン数計算を用いて、Kondo状態のトポロジカル性をBerry曲率の観点から分析する。
• ゼーマンスピン分裂を伴う状況下で、内在的Berry曲率寄与を用いて異常ホール電導度を計算する。
• ドーピングおよび磁場の変化に応じたバンド構造、Berry曲率、ホール応答の数値計算を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoTe₂/WSe₂バイレイヤーにおける層間トンネルは、どのようにキラルKondo交換相互作用を誘発するか？
• RQ2 本系における小さなフェルミ表面状態と大きなフェルミ表面状態の間の転移の性質は何か？
• RQ3 このヘテロ構造におけるKondo格子は、トポロジカルハイブリダイゼーションギャップと整数化された異常ホール効果を有するか？
• RQ4 このキラルKondo格子におけるKondo温度はキャリア濃度にどのように依存するか？
• RQ5 電圧シフト場とゼーマン場は、トポロジカルおよび磁気的相を調整するために果たす役割は何か？

主な発見

• キラルKondo格子は、平均場レベルで小さなフェルミ表面磁性体と大きなフェルミ表面ヘヴィフェルミ液体の間で一次転移を示す。
• Kondo交換相互作用はトポロジカルハイブリダイゼーションギャップを誘発し、整数化されたチャーン数 $ C_\uparrow = -C_\downarrow = 1 $ を生じる。
• 異常ホール効果は、運動量空間におけるBerry曲率の巻きつきに起因し、外部磁場が存在しない状態でも非ゼロのホール電導度を示す。
• 異常ホール電導度は有限の運動量で最大値を示し、ゼーマン場およびドーピングレベルに敏感に依存する。
• 系は、$ n=2 $ の充填状態でトポロジカルKondo半金属を支持し、これは量子スピンホールKondo絶縁体と断続的に接続可能である。
• キラル性に起因するハイブリダイゼーションのため、Kondo温度はキャリア濃度に強く依存する。