[论文解读] Topology, magnetism and charge order in twisted MoTe2 at higher integer hole fillings

Taige Wang, Minxuan Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2023

2D Materials and Applications被引用 5

一句话总结

本研究基于第一性原理构建了3.89°扭曲MoTe2的连续体模型，随后通过自洽的Hartree-Fock计算，映射了较高整数空穴填充时的相互作用驱动相。研究在奇数填充时识别出谷极化态，在偶数填充时识别出谷间相干态，并对νₕ=2处的陈绝缘体提供了详细的实空间解释，其与反铁磁序和电荷序密切相关。

ABSTRACT

Twisted homobilayer transition metal dichalcogenide (TMD) attracts an expanding experimental interest recently for exhibiting a variety of topological and magnetic states even at zero magnetic field. Most of the studies right now focus on hole filling nu_h < 1, while a rich phase diagram at higher hole filling calls for more investigation. We perform a thorough survey of possible interaction-driven phases at higher integer hole fillings. We first construct the continuum model from a first-principles calculation, and then perform a self-consistent Hartree-Fock study of the interacting ground states. We identify various valley polarized (VP) states at odd integer fillings and intervalley coherent (IVC) states at even integer fillings and discuss the energetics competition among them. We also discuss the origin and the experimental implications of the curious Chern insulator at nu_h = 2.

研究动机与目标

• 系统探索扭曲同质双层MoTe2在较高整数空穴填充（νₕ ≥ 2）下的相互作用驱动关联相，扩展至广泛研究的νₕ ≤ 1区域之外。
• 通过大规模DFT计算并包含完整晶格弛豫，构建精确的连续体模型，确保其在能带结构和布洛赫波函数电荷密度方面均具有高保真度。
• 利用自洽Hartree-Fock理论绘制基态相图，捕捉谷极化（VP）、谷间相干（IVC）及其他关联态之间的竞争。
• 提供νₕ=2处异常陈绝缘体的实空间理解，将其与反铁磁序和电荷序联系起来。
• 提出可通过输运、磁圆二色性（MCD）和扫描隧道显微镜（STM）探测的实验可检验的拓扑、磁性和电荷序特征预测。

提出的方法

• 使用PBE泛函对3.89°扭曲MoTe2同质双层超晶格进行大规模DFT计算，包含完整晶格弛豫。
• 通过拟合DFT计算得到的前几条莫尔能带的能带结构和电荷密度，构建连续体模型，保持C₃对称性及谷陈数。
• 以所得连续体模型为基础，开展包含库仑相互作用的自洽Hartree-Fock计算，研究整数填充下的基态。
• 基于陈数结构和能带杂化能，分析谷极化（VP）与谷间相干（IVC）态之间的竞争。
• 通过分析在施加位移电场下的亚晶格极化与电荷密度，提供νₕ=2陈绝缘体的实空间图像。
• 评估交换能与动能在稳定IVC态中的作用，尤其在小扭转角下能带宽度较窄时的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在扭曲MoTe2中，较高整数空穴填充（νₕ ≥ 2）下的主导相互作用驱动基态为何？
• RQ2 莫尔能带的陈数结构如何影响谷极化态与谷间相干态的稳定性？
• RQ3 在νₕ=2处观测到的异常陈绝缘体态的微观起源是什么？其与电荷序有何关联？
• RQ4 为何νₕ=2处的IVC态比νₕ=1处更易实现？位移电场在稳定该态中起何作用？
• RQ5 实空间图像能否解释νₕ=2处陈绝缘体的出现，作为库仑排斥与位移电场竞争的结果？

主要发现

• 自洽Hartree-Fock研究显示，谷极化（VP）态——以铁磁序为特征——在奇数整数空穴填充（如νₕ = 1, 3）下占主导地位。
• 在偶数整数填充下，谷间相干（IVC）态——以反铁磁序为特征——占主导地位，尤其在νₕ = 2时，因其具有相同陈数的能带间有利杂化。
• νₕ=2处的陈绝缘体源于库仑排斥与位移电场之间的竞争，导致亚晶格极化并形成类似Haldane的绝缘态。
• 实空间图像表明，νₕ=2陈绝缘体是由于一种自旋态极化至单一亚晶格，而另一种自旋态在两层间形成蜂窝晶格结构，从而诱导出可被STM探测的电荷序。
• 相图显示在约3°处存在一个魔角，与实验观测到的小扭转角下扭曲MoTe2中的关联物理现象一致。
• 研究在νₕ=3处识别出部分谷极化（PVP）态，表明谷极化与谷相干之间存在复杂的竞争关系。