[論文レビュー] Spin-valley locked instabilities in moire transition metal dichalcogenides with conventional and higher-order Van Hove singularities

Yi‐Ting Hsu, Fengcheng Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2021

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ひとこと要約

本稿は、摂動的再帰縮小群（RG）解析を用いて、ねじれホモビレイヤー遷移金属ジ chalcogenide（TMD）におけるスピン・バルク鎖定常状態の不安定性を検討し、従来のおよび高次のヴァン・ホーフェ・特異点（VHS）を持つ系に注目する。スピン・バルク鎖定常状態が、グラフェンベースのモアレ系に顕著に見られる従来の不安定性を抑制し、スピンおよびバルク偏極型フェルミ磁性や混合パリティ型トポロジカル超伝導性といった新しい相を駆動することを明らかにする。特に、2つの高次VHSに対しては、対称性の破れを伴わない金属的状態が、スピン・バルク鎖定常状態の制約下でマージナルな谷間相互作用によって生じ、素通りの感受度が発散しても安定することが同定される。

ABSTRACT

Recent experiments have observed correlated insulating and possible superconducting phases in twisted homobilayer transition metal dichalcogenides (TMDs). Besides the spin-valley locked moire bands due to the intrinsic Ising spin-orbit coupling, homobilayer moire TMDs also possess either logarithmic or power-law divergent Van Hove singularities (VHS) near the Fermi surface, controllable by an external displacement field. The former and the latter are dubbed conventional and higher-order VHS, respectively. Here, we perform a perturbative renormalization group (RG) analysis to unbiasedly study the dominant instabilities in homobilayer TMDs for both the conventional and higher-order VHS cases. We find that the spin-valley locking largely alters the RG flows and leads to instabilities unexpected in the corresponding extensively-studied graphene-based moire systems, such as spin- and valley-polarized ferromagnetism and topological superconductivity with mixed parity. In particular, for the case with two higher-order VHS, we find a spin-valley-locking-driven metallic state with no symmetry breaking in the TMDs despite the diverging bare susceptibility. Our results show how the spin-valley locking significantly affects the RG analysis and demonstrate that moire TMDs are suitable platforms to realize various interaction-induced spin-valley locked phases, highlighting physics fundamentally different from the well-studied graphene-based moire systems.

研究の動機と目的

• モアレTMDにおけるスピン・バルク鎖定常状態が、グラフェンベースのモアレ系と比較して、相互作用駆動不安定性の相図にどのように影響を与えるかを理解すること。
• 従来の（対数的）および高次の（累乗則的）ヴァン・ホーフェ特異点が、支配的不安定性を決定づける役割を果たすかを調査すること。
• スピン・バルク鎖定常状態の下で、発散する素通り感受度が長距離秩序を引き起こすか、あるいは特異な金属的状態を生じるかを特定すること。
• 外部の垂直電場を用いて調整可能なVHSを持つTMDモアレ系において、トポロジカル超伝導性および対称性破れ相の出現を探索すること。

提案手法

• ヴァン・ホーフェ特異点の周囲に配置されたパッチにおける粒子対および粒子-空孔不安定性を偏りのない方法で解析するため、パラケット再帰縮小群（RG）手法を採用した。
• 従来のVHSに対しては6パッチモデル、高次VHSに対しては2パッチモデルを用い、全モアレブリユアンゾーンを関連する低エネルギー領域に簡略化した。
• 摂動的RGフロー方程式を用いて、相互作用結合定数のスケーリングを追跡し、特にクーパー（対形成）および密度-密度（粒子-空孔）チャネルを含めた。
• フェルミ統計の制約を介してスピン・バルク鎖定常状態を組み込み、有効なフェルミオンのフラバー数を2から1に削減し、相互作用の対称性を変更した。
• 異なる相の安定性を評価するために、反発的および引力的素通り相互作用を両方取り入れた。
• 高次VHSにおける素通り感受度 Πph(0), Πpp(0), および Πph(Q) を計算し、状態密度における指数 −1/3 の累乗則的発散を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モアレTMDにおけるスピン・バルク鎖定常状態は、スピン簡約型グラフェン系と比較して、RGフローにどのように影響を与え、不安定性を抑制または安定化させるか？
• RQ2 フェルミ準位近くに6つの従来のVHSを有するホモビレイヤーTMDにおける支配的相互作用駆動相は何か？
• RQ3 2つの高次VHSが存在する場合、素通り感受度が発散しても、長距離秩序を伴わない金属的状態が出現可能か？
• RQ4 2つのVHSパッチ間のネスティング条件が、スピン・バルク鎖定常状態下での系の安定性にどのように影響するか？
• RQ5 高次VHSの場合、特に引力的相互作用下で、超伝導ペア形成の性質は何か、特に混合パリティ型の性質は？

主な発見

• スピン・バルク鎖定常状態は、スピン簡約型モアレグラフェン系に顕著に見られるペア密度波および従来の電荷／磁気不安定性を抑制する。
• 6つの従来のVHSに対しては、素通り相互作用の符号に応じてスピンおよびバルク偏極型フェルミ磁性、および混合パリティ型トポロジカル超伝導性が支配的不安定性として出現する。
• 完全ネスティングを満たす2パッチの高次VHSの場合、マージナルな谷間密度-密度相互作用のおかげで、2次までの摂動論的理論において、対称性の破れを伴わない金属的状態が安定化される。
• ネスティングが不完全で、素通り相互作用が反発的である場合、長距離秩序を伴わない第二の金属的状態が出現し、低エネルギー極限において粒子-空孔相互作用が無関係になる。
• 2パッチ系における引力的素通り相互作用では、単一パリティペア形成とは異なる混合パリティ超伝導状態が支配的不安定性として現れる。
• 金属的状態における対称性の破れの不在は、スピン・バルク鎖定常状態のおかげであり、これは、スピン簡約系では長距離秩序を引き起こすはずの相互作用の影響を抑制するからである。