[논문 리뷰] Chiral Pseudo Spin Liquids in Moire Heterostructures

Clemens Kuhlenkamp, Wilhelm Kadow외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 12.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 62인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 강한 자기장 하에서 다층 모리에 이종구조를 제안하며, 고리 교환 과정에 의해 유도된 자기장에 의해 안정화되는 위상적으로 순서가 매겨진 모트 절연체 상인 편향된 가짜 스핀 액체를 실현하기 위한 조절 가능한 플랫폼으로서의 가능성을 제시한다. 층 자유도를 SU(2) 가짜 스핀로 간주함으로써, 시스템은 대칭성을 유지하면서 운동 에너지를 억제하여, 특히 중간에서 강한 상호작용과 유한한 스칼라를 가진 모트 한계에서 넓은 매개변수 영역에서 견고한 편향된 스핀 액체 상을 관찰할 수 있다.

ABSTRACT

We propose multi-layer moire structures in strong external magnetic fields as a novel platform for realizing highly-tunable, frustrated Hubbard physics with topological order. Identifying the layer degree of freedom as a pseudo spin, allows us to retain SU(2) symmetry while controlling ring-exchange processes and concurrently quenching the kinetic energy by large external magnetic fields. This way, a broad class of interacting Hubbard-Hofstadter states and their transitions can be studied. Remarkably, in the limit of strong interactions the system becomes Mott insulating and we find chiral pseudo spin liquid phases which are induced by the magnetic field. We find that this topologically ordered state remains exceptionally stable towards relevant perturbations. We discuss how layer pseudo-spin can be probed in near-term experiments. As the magnetic flux can be easily tuned in moire systems, our approach provides a promising route towards the experimental realization and control of topologically ordered phases of matter.

연구 동기 및 목표

• 위상적으로 질서가 매겨진 양자 상, 특히 편향된 스핀 액체를 실현하고 제어할 수 있는 고도로 조절 가능한 고체상 플랫폼을 규명하는 것.
• 기존의 스핀 액체가 취약하고 매개변수에 민감한 점을 보완하기 위해, 조절 가능한 자기장과 층 가짜 스핀을 갖춘 모리에 이종구조를 활용하는 것.
• 외부 자기장에 의해 유도된 제어 가능한 고리 교환 과정을 통해 모트 절연체 영역에서 편향된 가짜 스핀 액체 상을 안정화하고 특성화하는 것.
• 근래의 모리에 기반 양자 장치에서 가짜 스핀 액체 질서를 탐지할 수 있는 실험적으로 접근 가능한 서명을 제공하는 것.

제안 방법

• 층 자유도를 SU(2) 가짜 스핀로 간주하여 대칭성을 유지하면서, 두 가짜 스핀 성분(상단 및 하단 층)을 갖는 효과적인 삼각격자 허브 모델로 시스템을 모델링한다.
• 강한 외부 자기장을 적용하여 운동 에너지를 억제하고, 스칼라 의존성 고리 교환 항을 유도함으로써 위상적 질서를 안정화시킨다.
• 원통형 기하구조에서의 유한 밀도 행렬 반복법(iDMRG) 시뮬레이션을 통해 얽힘 스펙트럼, 상관 함수, 스칼라 삽입에 따른 전하/스핀 펌프링을 계산한다.
• 얽힘 스펙트럼 수세기 분석을 통해 표면 이론을 분석하여, 특히 SU(2)1 WZW 모델의 (1,1,2,3,5,...) 패턴과 일치함으로써 위상적 질서를 확인한다.
• 자기장 스칼라와 상호작용 강도를 조절하여 호프스타터 상태와 편향된 스핀 액체 사이의 상전이를 연구한다.
• 스칼라 삽입 프로토콜과 상관 측정을 포함한 실험적 탐지 수단을 제안하여 가짜 스핀 액체의 위상적 성질을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 자기장 하에서 제어 가능한 고리 교환 과정을 통해 모리에 이종구조에서 편향된 가짜 스핀 액체 상이 안정화될 수 있는가?
• RQ2 이러한 편향된 스핀 액체 상은 유한 체적 효과나 대칭성 깨짐 항과 같은 외부 교란에 대해 얼마나 견고한가?
• RQ3 모리 시스템에서 편향된 가짜 스핀 액체를 비순서 또는 전통적인 질서 상과 구별할 수 있는 실험적 서명은 무엇인가?
• RQ4 자기장 스칼라, 모트 물리학, 기하학적 과도함의 상호작용이 고립체-고립체 전이를 포함한 풍부한 상도도를 어떻게 이끌어내는가?
• RQ5 제어 가능한 스칼라 삽입 하에서 전하 및 스핀 펌프링을 통해 편향된 스핀 액체의 위상적 성질을 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 모트 절연체 한계에서 중간에서 강한 상호작용과 유한한 자기장 스칼라 조건에서 편향된 가짜 스핀 액체 상이 견고하게 나타나며, 특히 Φ = π/2 및 Φ = π/3에서 두드러진다.
• 모트 영역에서의 얽힘 스펙트럼은 SU(2)1 WZW 모델의 (1,1,2,3,5,...) 수세기 규칙과 일치하여 위상적 질서와 급격한 표면 모드의 존재를 확인한다.
• 스칼라 삽입 시, 정수 단위의 가짜 스핀이 펌프되어 스핀온 밴드의 위상적 성질과 상태의 분수 양자홀 효과 유사 성격을 확인한다.
• 상관 함수는 지수적으로 감쇠하는 스핀 및 밀도 상관과 극히 약한 잔여 전하 순서(≈10−4)를 보이며, 약한 상호작용 영역에서는 특징이 없는 홀 효과 상태를 나타낸다.
• 대칭적 스칼라 삽입 시 전하 또는 스핀 펌프링이 관찰되지 않으며, 반대 방향의 스칼라에서는 분수 스핀 홀 효과가 나타나, 상태의 고립체적 위상적 성질을 확인한다.
• 편향된 가짜 스핀 액체는 다양한 스칼라 값에서 안정하며, 유한 체적 효과에 대해 견고하며, 다양한 운동량 영역(ky = 0 및 ky = π)에서 구별 가능한 얽힘 스펙트럼을 보인다.