[논문 리뷰] Composite Fermi Liquid at Zero Magnetic Field in Twisted MoTe$_2$

Junkai Dong, Jie Wang외 3명|PubMed|2023. 06. 02.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 95인용 수 12

한 줄 요약

논문은 twisted MoTe2에서 반 충진에서 제로 필드 컴포지트 페르미 액체(CFL) 상을 보이며, ED와 iDMRG 연구로 이를 뒷받침하고, 제로 필드 CFL 파동함수와 이를 Fermi liquid과 구분하는 실험적 징후를 제공한다.

ABSTRACT

The pursuit of exotic phases of matter outside of the extreme conditions of a quantizing magnetic field is a long-standing quest of solid state physics. Recent experiments have observed spontaneous valley polarization and fractional Chern insulators in zero magnetic field in twisted bilayers of MoTe_{2}, at partial filling of the topological valence band (ν=-2/3 and -3/5). We study the topological valence band at half filling, using exact diagonalization and density matrix renormalization group calculations. We discover a composite Fermi liquid (CFL) phase even at zero magnetic field that covers a large portion of the phase diagram near twist angle ∼3.6°. The CFL is a non-Fermi liquid phase with metallic behavior despite the absence of Landau quasiparticles. We discuss experimental implications including the competition between the CFL and a Fermi liquid, which can be tuned with a displacement field. The topological valence band has excellent quantum geometry over a wide range of twist angles and a small bandwidth that is, remarkably, reduced by interactions. These key properties stabilize the exotic zero field quantum Hall phases. Finally, we present an optical signature involving "extinguished" optical responses that detects Chern bands with ideal quantum geometry.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장 없이도 twisted TMD에서 이국적인 제로 필드 양자 홀과 같은 상을 탐색하도록 동기를 부여한다.
• 3.6° 근처의 비틀린 MoTe2에서 반 충진에서 gapless CFL 상을 식별하고 특성화한다.
• 양자 기하학과 상호작용에 의해 대역폭 억제가 제로 필드 CFL를 안정화시키는 방식을 보여준다.
• 구체적인 제로 필드 CFL 파동함수 구성을 제공하고 실험 관측 가능성과 연결한다.

제안 방법

• 정확 대각화(ED)와 밀도 행렬 재정규화 그룹(DMRG)을 사용하여 반 충진에서 상 밴드를 연구한다.
• 게이트로 차폐된 쿨롱 상호작용과 함께 거의 평탄한 C=1 상 밴드로 상호작용 해밀토니안을 투사한다.
• 다체 스펙트럼, 바닥 상태 다중성, 구조인자를 계산하여 CFL 징후를 식별한다.
• LLL 유사 구조와 밴드-프로젝트 CF 디터미넌트 및 zeta_l(r) 인자를 결합한 제로 필드 CFL 파동함수를 구성한다.
• 저에너지 스펙트럼을 반 충진의 최저 Landau 준(LLL)과 비교하여 CFL 신원을 확립한다.
• 밴드의 이상적인 양자 기하를 바탕으로 한 광학 및 수송 탐침을 제안한다.

Figure 1: The top valence band has favorable conditions for fractionalized topological phases. Bandstructure as seen from (a) charge neutrality and (b) from $\nu=-1$ computed from self-consistent Hartree-Fock. (c) Quantum geometry in terms of trace condition $T$ and Berry curvature deviation $\sigma

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 모이어 TMD 시스템에서 제로 자기장하에 gapless CFL이 존재할 수 있는가?
• RQ2 변위장(displacement fields) 하에서 제로 필드 CFL이 페르미 액체 및 층/편극 불안정성과 어떻게 경쟁하는가?
• RQ3 제로 필드 CFL를 기존의 페르미 액체와 구분하는 명시적 파동함수와 실험적 징후는 무엇인가?
• RQ4 양자 기하학과 상호작용에 의해 대역폭 재정규화가 twisted MoTe2에서 제로 필드 위상들을 어떻게 안정화하는가?

주요 결과

• twisted MoTe2에서 θ ≈ 3.6° 부근에서 ν = −1/2 (SM에서 ν = −3/4도)로 CFL 상이 관찰되며, CFL 유사 저에너지 스펙트럼과 구조인자로 입증된다.
• CFL 바닥 상태는 쿨롱 상호작용 하에서 반충진 LLL과 차수별로 1:1 대응하는 스펙트럼을 가지며, 시스템 크기 N_e = 8–14에서도 동일하게 나타난다.
• iDMRG는 전자 페르미 표면이 없는 준 균일한 점유를 드러내어 비-페르미 액체 복합 페르온기를 시사한다.
• 구조인자 S(q)가 복합 페르미 바다를 가로지르는 산란 특징과 일치하여 CFS의 기대에 부합한다.
• 명시적 제로 필드 CFL 파동함수가 제안되며, 플럭스 느낌 부분과 밴드 투사 CF 행렬식 및 zeta_l(r) 인자를 결합한다.
• 상 밴드는 거의 이상적 양자 기하를 보이며 T와 Berry 곡률의 편차가 작아 제로 필드 양자 홀과 같은 위상을 안정화하는 데 기여한다.
• 광학 서명으로는 왼쪽 원 circular 전이에 대한 원형 이색성 소거가 관측되며, 이는 보이소버튼 가능(vortexable) Chern 밴드로 인해 이상적인 기하를 직접적으로 탐침한다.

Figure 2: Numerical identification of the composite Fermi liquid (CFL) from iDMRG. (a) Occupations $n(\boldsymbol{k})$ in the Brillouin zone at $L_{y}=8$ for the Fermi liquid (FL, left side) versus the CFL (right side). (b) Connected structure factor $S(\boldsymbol{q})=\braket{\hat{\rho}_{\boldsymbo