[論文レビュー] Gate-tunable heavy fermion quantum criticality in a moiré Kondo lattice

Aman Kumar, Nai Chao Hu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、WX₂とMoX₂層からなるモアレスーパーラティスにおいて、局所モーメントが三角格子に配置され、可変Kondo交換相互作用を介して拡散電子と結合する系として、ゲートでチューニング可能な重フェルミオン量子臨界点を提案している。パーツン平均場アプローチを用いて、巨大な異常ホール伝導度を示す重フェルミオン液体と、軽いフェルミ液体を共存させる分数量子スピン液体の間の量子相転移を特定し、明確な実験的シグネチャーを提示している。

ABSTRACT

We propose a realization of Kondo-lattice physics in moiré superlattices at the interface between a WX$_2$ homobilayer and MoX$_2$ monolayer (where X=S,Se). Under appropriate gating conditions, the interface-WX$_2$-layer forms a triangular lattice of local moments that couple to itinerant electrons in the other WX$_2$-layer via a gate-tunable Kondo exchange interaction. Using a parton mean-field approach we identify a range of twist-angles which support a gate-tuned quantum phase transition between a heavy-fermion liquid with large anomalous Hall conductance and a fractionalized chiral spin-liquid coexisting with a light Fermi liquid, and describe experimental signatures to distinguish among competing theoretical scenarios.

研究の動機と目的

• モアレスーパーラティスにおけるWX₂/MoX₂ヘテロ構造でKondo格子物理学を実現すること。
• 重フェルミオン液体と軽いフェルミ液体の間のゲートでチューニング可能な量子相転移を探索すること。
• 分数量子スピン液体と軽いフェルミ液体が共存する条件を同定すること。
• モアレKondo系における競合する理論的状況を実験的に区別できるシグネチャーを提供すること。

提案手法

• インターフェースに存在するWX₂層を、拡散電子と結合する局所モーメントの三角格子としてモデル化する。
• ヘテロ構造界面での静電的ゲーティングにより、可変Kondo交換相互作用を実装する。
• 量子相図と出現する相を研究するため、パーツン平均場アプローチを適用する。
• 巨大な異常ホール伝導度を示す重フェルミオン液体の出現を分析する。
• 特定のねじれ角度領域において、分数量子スピン液体と軽いフェルミ液体の共存を同定する。
• 競合する量子相を区別できる実験的に検証可能なシグネチャーを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような条件下でモアレKondo格子でゲートでチューニング可能な量子相転移が可能になるか？
• RQ2 WX₂/MoX₂ヘテロ構造において、静電的ゲーティングによってKondo交換相互作用はどのように変化するか？
• RQ3 重フェルミオン液体と分数量子スピン液体の間の量子臨界点の性質は何か？
• RQ4 どのねじれ角度領域でスピン液体の手前のスピン液体と軽いフェルミ液体の共存が出現するか？
• RQ5 重フェルミオン液体と分数量子スピン液体相を区別できる実験的観測量は何か？

主な発見

• 特定のねじれ角度範囲において、巨大な異常ホール伝導度を示す重フェルミオン液体と、軽いフェルミ液体と共存する分数量子スピン液体の間のゲートでチューニング可能な量子相転移が支持される。
• 静電的ゲーティングによりKondo交換相互作用がチューニング可能であり、これにより量子臨界点の制御が可能になる。
• パーツン平均場アプローチにより、励起質量が増大した安定な重フェルミオン液体相が明らかになった。
• 分数量子スピン液体相が軽いフェルミ液体とともに出現し、トポロジカル秩序とキラル的エッジモードを特徴とする。
• 相の区別に向けた明確な実験的シグネチャー、例えば整数量子異常ホール伝導度やスピン液体固有の熱的ホール信号が予測された。
• 相図はねじれ角度に敏感であり、特定の領域では重いまたは分数量子的量子相が優位になる。