[논문 리뷰] Chiral Kondo Lattice in Doped MoTe$_2$/WSe$_2$ Bilayers

Daniele Guerci, Jie Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 13.

Advanced Chemical Physics Studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 도핑된 MoTe₂/WSe₂ 이중층에서 이중층 전자 턨널링이 비대칭 Kondo 교환을 유도하고, 이로 인해 degeneracy가 해소되고 비대칭 Berry 곡률이 생성되는 편향성 Kondo 격자 구조를 제안한다. 이 시스템은 작은 피에르 표면 자성체와 큰 피에르 표면 무거운 피에르 액체 사이의 1차 전이를 나타내며, 양자화된 Chern 수와 강력한 비정상 홀 효과를 갖는다.

ABSTRACT

We theoretically study the interplay between magnetism and a heavy Fermi liquid in the AB stacked transition metal dichalcogenide bilayer system MoTe$_2$/WSe$_2$ in the regime in which the Mo layer supports localized magnetic moments coupled by interlayer electron tunnelling to a weakly correlated band of itinerant electrons in the W layer. We show that the interlayer electron transfer leads to a chiral Kondo exchange, with consequences including a strong dependence of the Kondo temperature on carrier concentration, a topological hybridization gap and an anomalous Hall effect. The theoretical model exhibits two phases, a small Fermi surface magnet and a large Fermi surface heavy Fermi liquid; the transition between them is first order. A low-energy theory is developed for the the transport properties of the two states. Implications of our results for present and future experiments on MoTe$_2$/WSe$_2$ bilayer heterostructures are discussed.

연구 동기 및 목표

• AB-스택된 이중층에서 MoTe₂의 국소 자성 모멘트와 WSe₂의 이동 전자 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 이중층 전자 터널링이 어떻게 편향성 Kondo 교환 상호작용을 유도하는지 이해하기 위해.
• Kondo 격자 영역에서 위상적 질서와 비정상 홀 효과의 발생을 탐색하기 위해.
• Carrier 농도와 이완 전압에 따른 시스템의 상도도를 매핑하기 위해.
• 조절 가능한 이중구조에서 위상적 선택적 Mott 전이를 관찰할 수 있는 제어 가능한 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 각 층에 별개의 모리 밴드를 갖는 MoTe₂/WSe₂ 이중층에 대한 저에너지 연속체 모델을 수립한다.
• Kondo 교환 결합을 $ J_K \sim t_h^2 / \Delta $ 로 모델링하며, 여기서 $ t_h $ 는 이중층 터널링이고 $ \Delta $ 는 에너지 오프셋이다.
• 작은 피에르 표면 자성체와 큰 피에르 표면 무거운 피에르 액체 사이의 전이를 평균장 접근법으로 연구한다.
• Kubo 공식을 통한 Berry 곡률과 Chern 수 계산을 통해 Kondo 상태의 위상적 성질을 분석한다.
• Zeeman 분리가 존재하는 조건에서 내재된 Berry 곡률 기여를 사용해 비정상 홀 전도도를 계산한다.
• 다양한 도핑과 자장 조건에서 밴드 구조, Berry 곡률, 홀 반응을 수치적으로 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoTe₂/WSe₂ 이중층에서의 이중층 터널링은 어떻게 편향성 Kondo 교환 상호작용을 유도하는가?
• RQ2 이 시스템에서 작은 피에르 표면 상태와 큰 피에르 표면 상태 사이의 상전이의 성격은 무엇인가?
• RQ3 이 이중구조의 Kondo 격자가 위상적 하이브리드화 갭과 양자화된 비정상 홀 효과를 수용할 수 있는가?
• RQ4 이 편향성 Kondo 격자에서 Kondo 온도는 실내 농도에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 이완 전압과 Zeeman 전장은 위상적 및 자성 상을 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 편향성 Kondo 격자는 평균장 수준에서 작은 피에르 표면 자성체와 큰 피에르 표면 무거운 피에르 액체 사이의 1차 전이를 나타낸다.
• Kondo 교환 상호작용은 위상적 하이브리드화 갭을 유도하며, 이로 인해 양자화된 Chern 수 $ C_\uparrow = -C_\downarrow = 1 $ 가 발생한다.
• 비정상 홀 효과는 운동량 공간에서의 Berry 곡률 와인딩으로 발생하며, 외부 자기장이 없더라도 비영인 홀 전도도를 갖는다.
• 비정상 홀 전도도는 유한한 운동량에서 최대가 되며, Zeeman 전장과 도핑 수준에 민감하게 의존한다.
• 시스템은 채움 상태 $ n=2 $ 에서 위상적 Kondo 반도체를 지지하며, 이는 양자 스핀 홀 효과 Kondo 절연체와 단절 없이 연결된다.
• 하이브리드화의 편향성으로 인해 Kondo 온도는 실내 농도에 강하게 의존한다.