[논문 리뷰] Spin-valley locked instabilities in moire transition metal dichalcogenides with conventional and higher-order Van Hove singularities

Yi‐Ting Hsu, Fengcheng Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 06.

2D Materials and Applications참고 문헌 57인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 섬유형 양자역학적 보정 그룹(RG) 분석을 통해 비틀어진 허모빌레이어 전이 금속 디 chalcogenide(TMDs)에서 스핀-밸리 락킹 불안정성에 대해 연구한다. 이는 일반적인 및 고차수 바른 보스 특이점(VHS)을 가진 시스템을 대상으로 하며, 스핀-밸리 락킹이 그래핀 기반 모어리 시스템에서 관찰되는 일반적인 불안정성을 억제하고, 스핀 및 밸리 극성 페로자성, 혼합 펄스 위상(topological superconductivity)과 같은 새로운 상들을 이끌어내는 것으로 드러났다. 특히 두 개의 고차수 VHS가 존재할 경우, 대칭성 붕괴 없이도 발산하는 순수한 감도가 존재하는 금속 상태가 나타나며, 이는 스핀-밸리 락킹 조건 하에서의 경계 상호작용에 의해 유도된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 모어리 TMD에서의 스핀-밸리 락킹이 그래핀 기반 모어리 시스템과 비교해 상호작용 유도 불안정성의 상도를 어떻게 변화시키는지 이해하는 것.
• 일반적(로그형) 및 고차수(거듭제곱형) 바운드 보스 특이점이 주요 불안정성을 결정하는 데서의 역할을 조사하는 것.
• 스핀-밸리 락킹 조건 하에서 발산하는 순수한 감도가 장거리 질서를 유도하는지, 또는 이국적인 금속 상태를 유도하는지 판단하는 것.
• 외부 이동장에 의해 조절 가능한 VHS를 가진 TMD 모어리 시스템에서 토폴로지 초전도성 및 대칭성 붕괴 상의 기원을 탐색하는 것.

제안 방법

• 바운드 보스 특이점 부근의 패치에 중심을 둔 입자-입자 및 입자-홀 불안정성을 비편향적으로 분석하기 위해 파레트 RG 접근법을 사용하였다.
• 일반적 VHS의 경우 여섯 패치 모델, 고차수 VHS의 경우 두 패치 모델을 사용하여 전체 모어리 브릴루앙 영역을 관련 저에너지 영역으로 축소시켰다.
• 입자-쌍 및 밀도-밀도(입자-홀) 채널을 포함한 상호작용 커플링의 스케일링을 추적하기 위해 페르미온의 통계적 제약 조건을 통한 스핀-밸리 락킹을 포함시켰으며, 이로 인해 효과적인 페르미온의 종류가 두 개에서 하나로 감소하고 상호작용 대칭성이 수정되었다.
• 각 상호작용의 안정성을 평가하기 위해 상호작용이 반발력 또는 흡인력일 경우를 모두 고려하였다.
• 고차수 VHS의 경우, 순수한 감도 Πph(0), Πpp(0), 및 Πph(Q)를 계산하였으며, 밀도 상태에서의 발산 지수 −1/3을 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모어리 TMD에서 스핀-밸리 락킹은 그래핀 기반 시스템과 비교해 RG 흐름에 어떻게 영향을 미치며, 불안정성을 억제하거나 안정화하는가?
• RQ2 페르미 수준 근처에 여섯 개의 일반적 VHS를 가진 동일계 TMD에서 주요 상호작용 유도 상은 무엇인가?
• RQ3 두 개의 고차수 VHS가 존재할 경우, 발산하는 순수한 감도가 존재하는 상황에서 대칭성 붕괴가 없는 금속 상태가 나타날 수 있는가?
• RQ4 두 VHS 패치 간의 네스팅 조건이 스핀-밸리 락킹 조건 하에서 시스템의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 고차수 VHS의 경우 초전도성 쌍성의 성격은 무엇이며, 특히 흡인력 상호작용 하에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 스핀-밸리 락킹은 그래핀 기반 모어리 그래핀 시스템에서 두드러지게 나타나는 쌍-밀도 파동 및 일반적인 전하/자기 불안정성을 억제한다.
• 여섯 개의 일반적 VHS의 경우, 순수한 상호작용의 부호에 따라 스핀 및 밸리 극성 페로자성과 혼합 펄스 위상(topological superconductivity)이 주요 불안정성으로 나타난다.
• 완벽한 네스팅 조건이 있는 두 패치 고차수 VHS의 경우, 2차 페르미온 이론까지는 대칭성 붕괴가 없는 금속 상태가 안정화되며, 이는 경계 상호작용에 기인한다.
• 네스팅이 완벽하지 않으며 순수한 상호작용이 반발력일 경우, 장거리 질서가 없는 두 번째 금속 상태가 나타나며, 이 경우 입자-홀 상호작용은 저에너지 근처에서 무시 가능해진다.
• 두 패치 모델에서 흡인력 순수 상호작용의 경우, 혼합 펄스 위상 초전도 상태가 주요 불안정성으로 나타나며, 이는 스핀 비대칭 시스템에서의 단일 펄스 위상 쌍성과는 다릅니다.
• 금속 상태에서 대칭성 붕괴가 없는 것은 스핀-밸리 락킹의 직접적인 결과이며, 이는 이전에 장거리 질서를 유도할 수 있었던 상호작용의 영향을 억제하기 때문이다.