[論文レビュー] Pseudogap metal and magnetization plateau from doping moiré Mott insulator

Yang Zhang, Liang Fu|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、中程度の磁場下で、空孔とスピン反転の束縛状態（スピンポラロン）が駆動する、ドーピングされたモアレモット絶縁体における新しい準ギャップ金属相を提案する。この相は単粒子ギャップを示し、全スピン $ S_p = N(1 - 3\bar{u})/2 $ のドーピング依存性磁化プラトーを示す。これは、従来のフェルミ液体や完全にスピン極化された金属とは明確に異なる。

ABSTRACT

The problem of doping Mott insulators is of fundamental importance and long-standing interest in the study of strongly correlated electron systems. The advent of semiconductor based moiré materials opens a new ground for simulating the Hubbard model on the triangular lattice and exploring the rich phase diagram of doped Mott insulators as a function of doping and external magnetic field. Based on our recent identification of spin polaron quasiparticle in Mott insulator, in this work we predict a new metallic state emerges at small doping and intermediate field range, a pseudogap metal that exhibits a single-particle gap and a doping-dependent magnetization plateau.

研究の動機と目的

• ドーピングされたモアレモット絶縁体に、従来のフェルミ液体行動とは逸脱する新しい金属的状態が存在するかを特定・特徴付けること。
• 空孔とスピン反転の束縛状態（スピンポラロン）としての励起子が、単粒子ギャップを有する金属相を安定化させる役割を理解すること。
• 磁化プラトーがドーピングおよび磁場の関数として出現する条件を特定すること。
• この準ギャップ金属を完全にスピン極化された金属や反強磁性状態から区別する理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• モアレスーパーラティス内の強い電子相関を記述するため、三角格子上の無限大U Hubbardモデルを用いる。
• 密度行列ランゲージ群（DMRG）シミュレーションを用いて、ドーピング $ \bar{\nu} = 1 - n $ およびゼーマン場 $ h $ の関数として基底状態エネルギーと全スピン $ S $ を計算する。
• 電子を1つ追加するエネルギーコストを定量化するため、単粒子ギャップ $ \triangle E_{e,s} = E(N, S_N + s - s_0) - E_N $ を定義する。ここで $ s_0 = 3/2 $ はスピンポラロンに対応する。
• 2脚ラダーおよび3脚シリンダーの有限サイズスケーリングを分析し、磁化プラトーの安定性を確認する。
• スピンポラロン金属（$ 4a $）と完全にスピン極化された金属（$ 8a $）のフェルミ面構造および量子振動周期を比較し、相の区別を行う。
• スピンポラロンの結合エネルギーとドーピング依存性スピン密度に基づいて、磁化プラトー条件 $ S_p = N(1 - 3\bar{\nu})/2 $ を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小スケールの空孔ドーピングおよび中程度の磁場下で、ドーピングされたモアレモット絶縁体に単粒子ギャップを有する金属的状態が出現するか？
• RQ2 スピンポラロン金属相で観測された磁化プラトーの微視的起源は何か？
• RQ3 スピンポラロン励起子構造は、従来のフェルミ液体や完全にスピン極化された金属とはどのように異なるか？
• RQ4 磁化プラトーはドーピングレベル $ \bar{\nu} $ と定量的に関連づけられるか？ これは励起子の性質に何を示唆するか？
• RQ5 量子振動周波数やランダウ準位の degeneracy といった実験的シグネチャは、他の金属的相と区別するのに有効か？

主な発見

• 小スケールの空孔ドーピング $ \bar{\nu} = 1 - n > 0 $ および中程度の磁場下で、単粒子ギャップとドーピング依存性磁化プラトーを特徴とする、新しい準ギャップ金属相が出現する。
• 磁化プラトーは $ S_p = N(1 - 3\bar{\nu})/2 $ として量子化され、ここで $ N $ はモアレ単位セル数を表す。これは有効スピン-3/2励起子を伴うスピンポラロン起源を示唆する。
• 単粒子ギャップは、追加された電子（スピン-1/2）とスピンポラロン（スピン-3/2）のスピン不一致に起因し、ギャップエネルギー $ \triangle E_{e,s} $ はスピンギャップに等しい。
• スピンポラロン金属のフェルミ面は $ \bm{k} = 0 $ を中心とする単一のポケットであり、これは量子振動周期 $ 4a $ を示す。一方、完全にスピン極化された金属では $ 8a $ となる。
• 準ギャップ金属から完全にスピン極化された金属への遷移は、フェルミ面体積およびランダウ準位の degeneracy に不連続な変化によって示される。
• ゼロ磁場下では、小スケールのドーピングにより $ 120^\text{circ} $ スピン秩序が誘発され、反強磁性相関と整合的である。これは低磁場下に追加のプラトーが存在しないことを確認する。