[論文レビュー] Electrical detection of spin liquids in double moiré layers

Yahui Zhang, Ashvin Vishwanath|arXiv (Cornell University)|May 26, 2020

Machine Learning in Materials Science被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、遷移金属ジ chalcogenides や ABC 三層グラフェンの二重モアレ異性構造を提案し、擬スピン輸送を介してスピン液体相の電気的検出を可能にする。クーロン結合されたモアレ層を活用することで、三角格子上の近似的な SU(4) または SU(8) ハーバードモデルが実現され、モット絶縁体状態におけるねじれスピン液体および U(1) スピンオンフェルミ表面スピン液体の決定的兆候を示す反対流電導度の電気的測定が可能になる。

ABSTRACT

Although spin is a fundamental quantum number, measuring spin transport in traditional solid state systems is extremely challenging. This poses a major obstacle to detecting interesting quantum states including certain spin liquids. In this paper we propose a platform that not only allows for the electrical measurement of spin transport, but in which a variety of exotic quantum phases may be stabilized. Our proposal involves two moiré superlattices, built from transition metal dichalcogenides (TMD) or graphene, separated from one another by a thin insulating layer. The two Coulomb coupled moiré layers, when suitably aligned, give rise to a layer pseudospin degree of freedom. The transport of pseudospin can be accessed from purely electrical measurements of counter-flow or Coulomb drag conductivity. Furthermore, these platforms naturally realize Hubbard models on the triangular lattice with $N = 4\, { m or}\, 8$ flavors. The flavor degeneracy motivates a large-N approximation from which we obtain the phase diagram of Mott insulators at different electron fillings and correlation strengths. In addition to conventional phases such as psuedospin superfluids and crystallized insulators, exotic phases including chiral spin liquids and a $U(1)$ spinon Fermi surface spin liquid are also found, all of which will show smoking gun electrical signatures in this setup.

研究の動機と目的

• 強相関量子材料におけるスピン輸送を実験的に探る長年の課題を克服すること。
• 従来の測定法では到達できなかった、特異なスピン液体相を電気的に検出可能なプラットフォームを確立すること。
• 二重モアレ系が自然に N=4 または 8 の SU(N) ハーバードモデルを実現することを示し、豊かな量子相を示すモット絶縁体の研究を可能にすること。
• トポロジカルスピン液体状態、特にねじれスピン液体および U(1) スピンオンフェルミ表面状態の測定可能な電気的シグネチャーを提供すること。
• モット転移付近の金属的状態を探索し、増強されたクーロンドラッグ抵抗率がスピン-電荷分離または非フェルミ液体行動を示唆する可能性を検討すること。

提案手法

• 本系は、TMD や ABC 三層グラフェンから形成される二つのモアレスーパーラティスから構成され、薄い絶縁体で分離されており、層間擬スピン自由度が生じる。
• 層間のクーロン結合により、反対流電導度の電気的測定が可能となり、これが擬スピン輸送を直接プローブする。
• 低エネルギー有効ハミルトニアンは、スピン、バルク、層自由度に応じて N=4 または 8 の三角格子上の SU(N) ハーバードモデルに写像される。
• 大 N 近似を用いて、さまざまな充填度および相関強度におけるモット絶縁体の相図を導出し、O(t⁴/U³) までの三サイトリング交換項を含む。
• 低温における擬スピン抵抗率 R(T) の反対流測定を提案し、R(T) ∝ T^α のべき則スケーリングが非フェルミ液体行動を示す（α ≠ 2）。
• 金属的状態では、Coulomb drag 抵抗率 ρ_D = ρ_c − ρ_s を用い、大きな値がスピン-電荷分離またはモット転移付近の特異な金属的状態を示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重モアレ層における擬スピン輸送の電気的測定は、ねじれスピン液体および U(1) スピンオンフェルミ表面スピン液体の存在を検出可能か？
• RQ2 三角格子上の SU(N) ハーバードモデルにおける三サイトリング交換項（K）は、トポロジカルスピン液体相の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 擬スピン電導度の電気的シグネチャーは、従来のモット絶縁体、結晶相、および特異なスピン液体とどのように異なるか？
• RQ4 モット転移付近の金属的状態における増強されたクーロンドラッグ抵抗率は、スピン-電荷分離または非フェルミ液体行動のプローブとして機能可能か？
• RQ5 ゲートで調整可能なパrameter（充填度、層偏極、電界）を用いて、二重モアレ系における特異な量子相をどれほど制御・調整できるか？

主な発見

• 二重モアレ系は、三角格子上の有効な SU(4) または SU(8) ハーバードモデルを実現し、豊かな量子相を示すモット絶縁体の研究を可能にする。
• 有効スピン模型に三サイトリング交換項（K）を含めることで、ヘイゼンベルグ極限（K=0）が結晶相を有利にする場合でも、ねじれスピン液体および U(1) スピンオンフェルミ表面スピン液体が安定化される。
• ねじれスピン液体は分数量子スピンホール電導度を示し、U(1) スピンオンフェルミ表面スピン液体は金属的スピン輸送を支持するが、両者とも電気的反対流測定により検出可能である。
• 反対流擬スピン抵抗率 R(T) は低温でべき則スケーリング R(T) ∝ T^α を示し、α ≠ 2 であれば非フェルミ液体行動を示す、特異な量子相の主要な兆候となる。
• モット転移付近の金属的状態では、臨界点におけるスレーブボソンの普遍的抵抗率 h/e² に起因し、Coulomb drag 抵抗率 ρ_D ≈ h/e² が予測される。これは強いゲージフラクチュエーションおよびスピン-電荷分離を示唆する。
• 全密度 N と層偏極 ρ_z を独立して調整可能であり、N、ρ_z、D₁、D₂ の4つの独立した制御パrameterを持つ多様な相図の探索が可能になる。