[論文レビュー] Temperature dependent resistivity in the doped two dimensional metallic phase of mTMD bilayers

Seongjin Ahn, S. Das Sarma|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

2D Materials and Applications参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ドーピングされた二次元モリブデンを基盤とする遷移金属ジ chalcogenide (mTMD) バルク層における実験的に観測されたTに比例する抵抗率が、量子臨界性や非フェルミ液体的挙動ではなく、停止した荷電不純物の温度依存的スクリーニングに起因することを提案する。有限温度RPAスクリーニングとボルツマン輸送理論を用いて、スクリーニングされたクーロンポテンシャルにおける温度依存的フレデル振動が、温度に比例して増加する抵抗率を生じることを示し、実験データと定量的に一致させ、金属-絶縁体転移を強相関性ではなく不純物に起因するものと特定する。

ABSTRACT

Two recent experiments from Cornell and Columbia have reported insulator-to-metal transitions in two-dimensional (2D) moir\'e transition metal dichalcogenides (mTMD) induced by doping around half-filling, where the system is a Mott insulator. In the current work, we consider the temperature dependent resistivity of this metallic phase in the doped situation away from half-filling, arguing that it arises from the strongly temperature dependent 2D Friedel oscillations (i.e. finite momentum screening) associated with random quenched charged impurities, leading to the observed strongly increasing linear-in-$T$ resistivity in the metallic phase. Our theory appears to account for the temperature-dependent metallic resistivity for doping around half-filling of the effective moir\'e TMD band, showing that temperature-dependent screened Coulomb disorder is an essential ingredient of doped 2D mTMD physics.

研究の動機と目的

• ドーピングされたmTMD二重層の半フィルイン近傍で観測された異常なTに比例する抵抗率を、標準的なフェルミ液体の期待とは対照的に説明すること。
• ドーピングされたmTMD系における観測された金属-絶縁体転移（MIT）が、強い相関性に起因するのか、それとも不純物に起因する局在化に起因するのかを調査すること。
• 温度依存的スクリーニングによる荷電不純物が、金属相における実験的に測定されたTに比例する抵抗率を定量的に再現できることを示すこと。
• ドーピングされた金属相が非フェルミ液体的状態または量子臨界状態であると解釈されるのを挑戦し、代わりに不純物に基づくメカニズムを提案すること。

提案手法

• 温度依存的散乱時間τ(T)を用いたドゥーリーの抵抗率式 ρ(T) = m / (ne²τ(T)) を使用する。
• ボルツマン輸送理論を用いてτ(T)を計算し、電子のエネルギーおよび運動量について統合し、温度依存的散乱率を用いる。
• RPA有限温度誘電関数 ϵ(q, T) を用いて、電子とランダムな荷電不純物の間のスクリーニングされたクーロンポテンシャルをモデル化する。
• 零温度2次元極化率から導かれる有限温度極化率 Π(q, T) を取り入れ、熱的幅拡張を考慮する。
• 散乱の一次近似ボルン近似を用いて輸送時間を評価する：1/τ(εk) = 2πni/ℏ ∑k′ |ui(k−k′)|² (1−cosθ) δ(εk−εk′)。
• 有効質量 m = 0.45mₑ およびキャリア密度 n = nT − nM を取り扱い、nM = 5×10¹² cm⁻² は半フィルインに対応する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜmTMD二重層のドーピング金属相における抵抗率は、フェルミ液体の期待されるT²依存性とは対照的に、温度に比例して増加するのか？
• RQ2 ドーピングされたmTMD系における観測された金属-絶縁体転移は、強い電子相関性に起因するのか、それとも不純物効果に起因するのか？
• RQ3 非フェルミ液体的または量子臨界的挙動を仮定せずに、温度依存的スクリーニングによる荷電不純物が、観測されたTに比例する抵抗率を説明できるか？
• RQ4 停止したランダムな荷電不純物が、ドーピングされたmTMD系における局在化および見かけのMITに果たす役割は何か？

主な発見

• 理論は、温度依存的スクリーンされたクーロン不純物のみを用いて、mTMD二重層のドーピング金属相における実験的に観測されたTに比例する抵抗率を再現した。
• スクリーニング波数の温度依存性および不純物ポテンシャルにおけるフレデル振動の結果として、抵抗率が温度に比例して増加する。
• 散乱率が温度自体を上回ることから、プランク散乱が示唆され、実験的観測と整合的である。
• モデルは、よりクリアなサンプルでは金属的領域が広く、MITの臨界ドーピングが低くなるのを予測するが、汚れたサンプルでは金属的ウィンドウが小さくなる。これは実験的傾向と一致する。
• 本研究は、mTMD二重層におけるドーピング誘発金属-絶縁体転移が、主にクーロン不純物に起因するものであり、強い相関効果によるものではないと結論づける。