[论文解读] Diverse magnetic orders and quantum anomalous Hall effect in twisted bilayer MoTe2 and WSe2

Taige Wang, Trithep Devakul+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2023

2D Materials and Applications被引用 5

一句话总结

本研究采用连续模型中的哈特ree-福克理论，研究扭曲双层MoTe2和WSe2中由电子关联驱动的磁性与拓扑相。结果表明，能带拓扑性（特别是自旋陈数）可增强易轴磁各向异性，从而稳定具有高达7 meV自旋波能隙的二维铁磁性，并揭示了通过位移场和扭转角调控的拓扑与磁性相变。

ABSTRACT

Twisted homobilayer transition metal dichalcogenide (TMD) offers a versatile platform for exploring band topology, interaction-driven phases, and magnetic orders. We study the interaction-driven phases in twisted TMD homobilayers and their low-energy collective excitations, focusing on the effect of band topology on magnetism and its thermal stability. From Hartree-Fock theory of the continuum model, we identify several magnetic and topological phases. By tuning the displacement field, we find two phase transitions involving a change in topology and magnetism respectively. We analyze the magnon spectrum, revealing the crucial role of band topology in stabilizing 2D ferromagnetism by amplifying easy-axis magnetic anisotropy, resulting in a large magnon gap of up to 7meV. As the magnon gap is directly tied to the stability of the magnetic phase to thermal fluctuations, our findings have several important experimental implications.

研究动机与目标

• 理解能带拓扑性如何影响扭曲同质结TMD中磁序的出现与稳定性。
• 研究扭曲MoTe2和WSe2中电子关联驱动的磁性相与拓扑能带结构之间的相互作用。
• 确定能带拓扑性在增强磁各向异性和抵抗热涨落方面对稳定二维铁磁性的作用。
• 绘制磁性与拓扑态相图随扭转角和位移场的变化关系。
• 分析自旋波激发谱，并将其能隙与这些二维量子材料中磁序的稳定性关联起来。

提出的方法

• 在连续模型中采用自洽哈特ree-福克（HF）理论，研究扭曲TMD同质结中的关联电子态。
• 使用时间依赖的HF形式化方法计算低能集体激发（自旋波）及其色散关系。
• 追踪谷极化 $P_v$ 和 $U(1)_v$ 对称性自发破缺的序参量，以识别磁性相。
• 计算陈数和电荷能隙，以表征拓扑相变与相边界。
• 分析软模底部的自旋波波函数，以确认其自旋波特性，并将其与I-V-C相变关联。
• 在26×26动量网格上对二次费米子哈密顿量进行数值对角化，以提取自旋波模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 能带拓扑性如何影响扭曲TMD同质结中二维铁磁性的稳定？
• RQ2 位移场在驱动扭曲MoTe2和WSe2中拓扑与磁性相变中的作用是什么？
• RQ3 自旋波能隙如何在拓扑与磁性相变之间演化，其对热稳定性有何含义？
• RQ4 从伊sing铁磁性（谷极化，VP）到XY反铁磁性（I-V-C）序的转变本质是什么？是连续转变还是首阶转变？
• RQ5 自旋波能隙是否可由能带拓扑性调控？在所研究体系中其最大值是多少？

主要发现

• 在拓扑谷极化（VP）相中，自旋波能隙可达7 meV，表明二维铁磁性具有强热稳定性。
• 当位移场增加至固定扭转角时，发生从陈绝缘体到平凡绝缘体的拓扑相变，伴随自旋波能隙的急剧下降。
• 从伊sing铁磁性（VP）到XY反铁磁性（I-V-C）序的转变是连续的，电荷能隙未闭合，且对应于在共格波矢处的自旋波凝聚。
• 能带拓扑性增强了易轴磁各向异性，这是稳定这些体系中二维铁磁性的关键机制。
• 在临界扭转角 $\theta^c \approx 3.85^\circ$ 处，中间的平凡VP相消失，此时拓扑与磁性相变合并为一阶相变。
• 在 $\mathbf{Q} = \kappa_-$ 处的软模完全为自旋波特性，主要成分为 $KK'$ 组分，证实其在驱动I-V-C相变中的作用。