[논문 리뷰] Gate-tunable heavy fermion quantum criticality in a moiré Kondo lattice

Aman Kumar, Nai Chao Hu외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 22.

Topological Materials and Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 WX₂ 및 MoX₂ 층으로 구성된 모리(superlattice)에서 국소적 순간모멘트가 삼각격자로 배열되어 있으며, 조절 가능한 코플러드 스핀-전자 상호작용을 통해 이주성 전자와 결합하는 중량 페르미 액체 양자臨계점(quantum critical point)을 제안한다. 파트온 평균장 접근법을 사용하여, 큰 비정상 홀 전도도를 가지는 중량 페르미 액체와 경량 페르미 액체를 공존시키는 분수형 캐리얼 스피너 액체(fractionalized chiral spin-liquid) 사이의 양자상전이를 규명하였으며, 이는 명확한 실험적 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We propose a realization of Kondo-lattice physics in moiré superlattices at the interface between a WX$_2$ homobilayer and MoX$_2$ monolayer (where X=S,Se). Under appropriate gating conditions, the interface-WX$_2$-layer forms a triangular lattice of local moments that couple to itinerant electrons in the other WX$_2$-layer via a gate-tunable Kondo exchange interaction. Using a parton mean-field approach we identify a range of twist-angles which support a gate-tuned quantum phase transition between a heavy-fermion liquid with large anomalous Hall conductance and a fractionalized chiral spin-liquid coexisting with a light Fermi liquid, and describe experimental signatures to distinguish among competing theoretical scenarios.

연구 동기 및 목표

• WX₂/MoX₂ 이종구조에서 모리 수반 격자에서 Kondo 격자 물리학을 실현하기 위해.
• 중량 페르미 액체와 경량 페르미 액체 사이의 전기장 조절 가능한 양자상전이를 탐색하기 위해.
• 분수형 캐리얼 스피너 액체와 경량 페르미 액체가 공존하는 조건을 규명하기 위해.
• 모리 Kondo 시스템에서 경쟁하는 이론적 시나리오를 실험적으로 구별할 수 있는 서명을 제공하기 위해.

제안 방법

• 기타 WX₂ 층의 이탈 전자와 결합된 국소적 순간모멘트로 구성된 삼각격자로 인터페이스 WX₂ 층을 모델링한다.
• 이종구조 인터페이스에서 전기적 게이팅을 통해 전기장 조절 가능한 코플러드 스핀-전자 상호작용을 도입한다.
• 양자상전이도 및 잠재적 상을 연구하기 위해 파트온 평균장 접근법을 적용한다.
• 큰 비정상 홀 전도도를 가지는 중량 페르미 액체의 발생을 분석한다.
• 특정 비틀림 각도 영역에서 분수형 캐리얼 스피너 액체와 경량 페르미 액체의 공존을 규명한다.
• 경쟁하는 양자상들을 구별하기 위한 실험적으로 검증 가능한 서명을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 조건에서 모리 Kondo 격자에서 전기장 조절 가능한 양자상전이가 가능할 수 있는가?
• RQ2 WX₂/MoX₂ 이종구조에서 전기장 게이팅에 따라 코플러드 스핀-전자 상호작용은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 중량 페르미 액체와 분수형 캐리얼 스피너 액체 사이의 양자임계점의 성격은 무엇인가?
• RQ4 어떤 비틀림 각도 영역에서 캐리얼 스피너 액체와 경량 페르미 액체의 공존가 발생하는가?
• RQ5 중량 페르미 액체와 분수형 스핀 액체 상을 구별하는 데 사용할 수 있는 실험적 관측량은 무엇인가?

주요 결과

• 일부 비틀림 각도 범위에서 큰 비정상 홀 전도도를 가지는 중량 페르미 액체와 경량 페르미 액체와 공존하는 분수형 캐리얼 스피너 액체 사이의 전기장 조절 가능한 양자상전이가 가능하다.
• 코플러드 스핀-전자 상호작용은 전기장 게이팅을 통해 조절 가능하여 임계점 제어가 가능하다.
• 파트온 평균장 접근법은 증폭된 준입자 효과 질량을 가지는 안정된 중량 페르미 액체 상을 드러낸다.
• 분수형 캐리얼 스피너 액체 상이 경량 페르미 액체와 함께 나타나며, 위상적 순서와 캐리얼 모드를 특징으로 한다.
• 상 구별을 위한 명확한 실험적 서명으로, 양자화된 비정상 홀 전도도와 스핀 액체 특유의 열 홀 신호가 예측된다.
• 상도는 비틀림 각도에 민감하며, 특정 영역에서는 중량 또는 분수형 양자상이 우세해진다.