[論文レビュー] Programming Correlated Magnetic States via Gate Controlled Moiré Geometry

Eric Anderson, Feng‐Ren Fan+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

Magnetic properties of thin films被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、R-stacked MoTe2二重層において蜂巣状と三角モアレ格子の間で現場ゲート切替を実現し、スイッチ可能な磁気交換相互作用と調整可能な磁気状態を可能にする。

ABSTRACT

Understanding quantum many-body systems is at the heart of condensed matter physics. The ability to control the underlying lattice geometry of a system, and thus its many-body interactions, would enable the realization of and transition between emergent quantum ground states. Here, we report in-situ gate switching between honeycomb and triangular lattice geometries of an electron many-body Hamiltonian in R-stacked MoTe2 moiré bilayers, resulting in switchable magnetic exchange interactions. At zero electric field, we observe a correlated ferromagnetic insulator near one hole per moiré unit cell (ν=-1), i.e., a quarter-filled honeycomb lattice, with a widely tunable Curie temperature up to 14K. Fully polarizing layer pseudospin via electric field switches the system into a half-filled triangular lattice with antiferromagnetic interactions. Further doping this layer-polarized superlattice introduces carriers into the empty layer, tuning the antiferromagnetic exchange interaction back to ferromagnetic. Our work demonstrates R-stacked MoTe2 moirés to be a new laboratory for engineering correlated states with nontrivial topology.

研究の動機と目的

• 相関電子系における新たに現れる量子基底状態を実現し、切り替えるための格子幾何の制御を動機づける。
• R-stacked MoTe2二層で蜂巣状と三角形の異なるモアレ格子幾何学のゲート調整可能な遷移を実証する。
• 格子幾何と層偏光が磁気交換相互作用と相関絶縁挙動にどう影響するかを特徴づける。

提案手法

• インシツゲート制御下でR-stacked MoTe2モアレ二層を製造・研究する。
• 充填と電場の関数として磁気状態と交換相互作用を観察する。
• 印加電場によって層の疑似スピンを分極化し、格子幾何を切り替える。
• ゲート制御とドーピングによって層間をキャリア移動させ磁気相互作用を調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲート制御はモアレ二重層における有効モアレ格子幾何を蜂巣状から三角形へ切り替えられるか？
• RQ2 格子幾何と層偏光が系の磁気交換相互作用（FM対 AFM）にどう影響するか？
• RQ3 キャリアの充填、ゲート induced polarization、そして得られる磁気状態との関係は？
• RQ4 モアレ幾何のゲート induced変化は相関磁気状態を可逆的に制御できるか？

主な発見

• 電場がゼロのとき、系はモアレ単位セルあたり1つの穴付近で相関化された強磁性絶縁体を示し、キュリー温度は最大14 Kまで調整可能。
• 電場によって層疑似スピンを完全に偏極させると、系は半充填の三角格子と反強磁性的相互作用へ切り替わる。
• 層偏極超格子をさらにドーピングすると、空の層にキャリアが入り、反強磁性交換を再び強磁磁性へと調整する。
• これらの結果は、ゲート制御を介して非自明なトポロジーを有する相関状態を設計するためのR-stacked MoTe2モアレのプラットフォームとしての有効性を確立する。