[论文解读] Electrical detection of spin liquids in double moiré layers

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

Machine Learning in Materials Science被引用 6

一句话总结

本文提出了一种过渡金属二硫属化物或ABC三重层石墨烯的双莫尔异质结构，通过赝自旋输运实现对自旋液体相的电学探测。通过利用库仑耦合的莫尔超晶格，该系统在三角晶格上实现近似的SU(4)或SU(8) Hubbard模型，从而能够通过可测量的反向流电导率揭示手性自旋液体和U(1)自旋子费米面自旋液体在莫特绝缘体区域的决定性特征。

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.

研究动机与目标

• 为克服长期以来在强关联量子材料中实验探测自旋输运的挑战。
• 建立一个平台，使以往难以通过常规测量手段探测的奇异自旋液体相能够实现电学检测。
• 证明双莫尔系统天然实现N=4或8的SU(N) Hubbard模型，从而能够研究具有丰富量子相的莫特绝缘体。
• 为拓扑自旋液体态（包括手性自旋液体和U(1)自旋子费米面态）提供可测量的电学信号。
• 探索莫特相变附近的金属态区域，其中增强的库仑拖拽电阻率可能指示自旋-电荷分离或非费米液体行为。

提出的方法

• 该系统由两个莫尔超晶格组成——由TMDs或ABC三重层石墨烯构成——通过一层薄绝缘层分隔，形成层间赝自旋自由度。
• 层间库仑耦合使得能够通过电学测量反向流电导率，从而直接探测赝自旋输运。
• 低能有效哈密顿量映射为三角晶格上的SU(N) Hubbard模型，其中N=4或8，具体取决于系统的自旋、谷和层自由度。
• 采用大N近似推导莫特绝缘体在不同填充率和关联强度下的相图，包括至O(t⁴/U³)阶的三体环交换项。
• 提出通过测量赝自旋电阻率R(T)的反向流行为，利用低温下R(T) ∝ T^α的幂律标度来探测非费米液体行为。
• 采用库仑拖拽电阻率ρ_D = ρ_c − ρ_s探测金属态区域，其中较大的ρ_D值表明存在自旋-电荷分离或莫特相变附近的非费米液体行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 双莫尔层中赝自旋输运的电学测量能否探测到手性自旋液体和U(1)自旋子费米面自旋液体的存在？
• RQ2 在三角晶格上的SU(N) Hubbard模型中，三体环交换项在稳定拓扑自旋液体相方面起什么作用？
• RQ3 赝自旋电导率的电学特征在传统莫特绝缘体、晶格相和奇异自旋液体之间有何不同？
• RQ4 在莫特相变附近的金属态区域，增强的库仑拖拽电阻率是否可作为自旋-电荷分离或非费米液体行为的探测工具？
• RQ5 门调控参数（填充率、层极化、位移场）在多大程度上可用于调控和探测双莫尔系统中的奇异量子相？

主要发现

• 双莫尔系统在三角晶格上实现有效的SU(4)或SU(8) Hubbard模型，使得研究具有丰富量子相的莫特绝缘体成为可能。
• 在有效自旋模型中引入三体环交换项（K）后，即使在海森堡极限（K=0）下倾向于形成晶格相，仍能稳定手性自旋液体和U(1)自旋子费米面自旋液体。
• 手性自旋液体表现出量化分数化的自旋霍尔电导率，而U(1)自旋子费米面自旋液体则支持金属态自旋输运，两者均可通过电学反向流测量探测。
• 反向流赝自旋电阻率R(T)在低温下呈现幂律标度R(T) ∝ T^α，且当α ≠ 2时表明存在非费米液体行为，这是奇异量子相的关键特征。
• 在莫特相变附近的金属态区域，预测库仑拖拽电阻率ρ_D ≈ h/e²，这是由于任答玻色子在临界点处具有普遍电阻率，表明强 gauge 涨落和自旋-电荷分离。
• 该系统可独立调控总密度N和层极化ρ_z，从而实现对包含四个独立控制参数（N, ρ_z, D₁, D₂）的丰富相图的探索。