[논문 리뷰] Electrical detection of spin liquids in double moiré layers

Yahui Zhang, Ashvin Vishwanath|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 26.

Machine Learning in Materials Science인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전이 금속 디칼코겐화합물 또는 ABC 삼중층 그래핀의 이중 모리 구조를 제안하여, 허위스핀 운반을 통한 전기적 측정을 통해 스핀 액체 상태를 탐지할 수 있도록 한다. 쿠론 상호작용을 통한 모리 격자 간의 결합을 활용함으로써, 삼각 격자 상에서 근사적인 SU(4) 또는 SU(8) 허버드 모델을 실현하며, 이는 모트 절연체 상태에서 나선형 스핀 액체와 U(1) 스핀온 페르미 표면 스핀 액체의 확실한 증거를 드러내는 반대 흐름 전도도의 전기적 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Although spin is a fundamental quantum number, measuring spin transport in traditional solid state systems is extremely challenging. This poses a major obstacle to detecting interesting quantum states including certain spin liquids. In this paper we propose a platform that not only allows for the electrical measurement of spin transport, but in which a variety of exotic quantum phases may be stabilized. Our proposal involves two moiré superlattices, built from transition metal dichalcogenides (TMD) or graphene, separated from one another by a thin insulating layer. The two Coulomb coupled moiré layers, when suitably aligned, give rise to a layer pseudospin degree of freedom. The transport of pseudospin can be accessed from purely electrical measurements of counter-flow or Coulomb drag conductivity. Furthermore, these platforms naturally realize Hubbard models on the triangular lattice with $N = 4\, { m or}\, 8$ flavors. The flavor degeneracy motivates a large-N approximation from which we obtain the phase diagram of Mott insulators at different electron fillings and correlation strengths. In addition to conventional phases such as psuedospin superfluids and crystallized insulators, exotic phases including chiral spin liquids and a $U(1)$ spinon Fermi surface spin liquid are also found, all of which will show smoking gun electrical signatures in this setup.

연구 동기 및 목표

• 강한 상관 양자물질에서 스핀 운반을 실험적으로 탐지하는 데 오랫동안 지속된 과제를 해결하기 위해.
• 기존의 측정 방법으로는 접근이 어려웠던 난류 스핀 액체 상태가 전기적으로 탐지될 수 있는 플랫폼을 구축하기 위해.
• 이중 모리 시스템이 자연스럽게 N=4 또는 8인 SU(N) 허버드 모델을 실현함으로써, 풍부한 양자상이 존재하는 모트 절연체의 연구가 가능해지도록 하기 위해.
• 위상적 스핀 액체 상태, 특히 나선형 스핀 액체와 U(1) 스핀온 페르미 표면 상태에 대한 측정 가능한 전기적 서명을 제공하기 위해.
• 모트 전이 근처의 금속 상태를 탐색하여, 증가된 쿠론 드래그 저항도가 스핀-전하 분리 또는 비페르미 액체 거동을 나타낼 수 있음을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 이 시스템은 TMD 또는 ABC 삼중층 그래핀에서 형성된 두 개의 모리 수반 격자로 구성되며, 얇은 절연체로 분리되어 있어 층 허위스핀 자유도를 갖는다.
• 층 간의 쿠론 상호작용을 통해 반대 흐름 전도도의 전기적 측정이 가능해지며, 이는 직접적으로 허위스핀 운반을 탐지한다.
• 저에너지 효과적 해밀토니안은 스핀, 밸리, 층 자유도에 따라 N=4 또는 8인 삼각 격자 상의 SU(N) 허버드 모델로 매핑된다.
• 대규모 N 근사를 사용하여, 다양한 충전도와 상호작용 강도에서 모트 절연체의 상도를 유도하며, O(t⁴/U³) 수준의 3점 레인드 교환 항까지 포함한다.
• 저온에서의 반대 흐름 허위스핀 저항도 R(T) 측정을 통해 비페르미 액체 거동을 파wr-법 스케일링 R(T) ∝ T^α로 탐지할 것을 제안한다.
• 금속 상태를 탐사하기 위해 쿠론 드래그 저항도 ρ_D = ρ_c − ρ_s 를 사용하며, 큰 값은 스핀-전하 분리 또는 모트 전이 근처의 난류 금속 상태를 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 모리 격자에서의 허위스핀 운반 전기 측정이 나선형 스핀 액체와 U(1) 스핀온 페르미 표면 스핀 액체의 존재를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 삼각 격자 상의 SU(N) 허버드 모델에서 3점 레인드 교환 항이 위상적 스핀 액체 상태의 안정화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 기본적인 모트 절연체, 결정성 상, 그리고 난류 스핀 액체 상태 간의 허위스핀 전도도 전기적 서명은 어떻게 다를까?
• RQ4 모트 전이 근처의 금속 상태에서 증가된 쿠론 드래그 저항도가 스핀-전하 분리 또는 비페르미 액체 거동을 탐지하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 채우기, 층 극성, 이완 전압 등의 게이트 조절 가능한 매개변수를 통해 이중 모리 시스템에서 난류 양자상에 얼마나 잘 접근하고 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 이중 모리 시스템은 삼각 격자 상에서 효과적인 SU(4) 또는 SU(8) 허버드 모델을 실현하며, 다양한 양자상이 존재하는 모트 절연체의 연구를 가능하게 한다.
• 효과적 스핀 모델에 3점 레인드 교환 항(K)을 포함함으로써, 헤이젠베르크 한계(K=0)에서 결정성 상이 유리한 경우에도 나선형 스핀 액체와 U(1) 스핀온 페르미 표면 스핀 액체가 안정화됨을 확인한다.
• 나선형 스핀 액체 상태는 양자화된 분수 스핀 홀 전도도를 보이며, U(1) 스핀온 페르미 표면 스핀 액체 상태는 금속성 스핀 운반을 지원한다. 둘 다 전기적 반대 흐름 측정을 통해 탐지 가능하다.
• 반대 흐름 허위스핀 저항도 R(T)는 저온에서 파워-법 스케일링 R(T) ∝ T^α를 보이며, α ≠ 2는 비페르미 액체 거동을 나타내며, 난류 양자상의 핵심 서명이다.
• 모트 전이 근처의 금속 상태에서는, 임계점에서 슬레이브 보존의 보편적 저항도에 기인하여 큰 쿠론 드래그 저항도 ρ_D ≈ h/e² 가 예측되며, 이는 강한 게이지 변동과 스핀-전하 분리를 시사한다.
• 총 밀도 N 과 층 극성 ρ_z 를 별도로 조절할 수 있어, 네 개의 독립적 제어 매개변수 N, ρ_z, D₁, D₂ 를 포함한 풍부한 상도를 탐색할 수 있다.