[论文解读] Chiral Kondo Lattice in Doped MoTe$_2$/WSe$_2$ Bilayers

Daniele Guerci, Jie Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2022

Advanced Chemical Physics Studies被引用 8

一句话总结

该论文提出在掺杂的MoTe₂/WSe₂双层结构中存在手性Kondo晶格，其中层间电子隧穿诱导出拓扑Kondo交换作用，能隙化简并产生手性贝里曲率。该体系在小费米面磁体与大费米面重费米液体之间表现出一级相变，具有量化陈数和稳健的反常霍尔效应，源于拓扑杂化能隙的形成。

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.

研究动机与目标

• 研究AB堆叠双层结构中MoTe₂中的局域磁矩与WSe₂中巡游电子之间的相互作用。
• 理解层间电子隧穿如何诱导手性Kondo交换相互作用。
• 探索Kondo晶格区中拓扑序与反常霍尔效应的出现机制。
• 绘制随载流子浓度和位移场变化的相图。
• 为在可调异质结构中观察拓扑选择性莫特转变提供一个受控平台。

提出的方法

• 为MoTe₂/WSe₂双层结构构建低能连续模型，其中每层具有独特的莫尔能带。
• 将Kondo交换耦合建模为$ J_K \sim t_h^2 / \Delta $，其中$ t_h $为层间跃迁积分，$ \Delta $为能量偏移。
• 采用平均场方法研究小费米面磁体与大费米面重费米液体之间的相变。
• 通过贝里曲率与陈数计算（基于Kubo公式）分析Kondo态的拓扑性质。
• 在自旋轨道耦合与Zeeman分裂存在下，利用本征贝里曲率贡献计算反常霍尔电导率。
• 对不同掺杂程度与磁场下的能带结构、贝里曲率与霍尔响应进行数值计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 MoTe₂/WSe₂双层结构中的层间隧穿如何导致手性Kondo交换相互作用？
• RQ2 该体系中小费米面态与大费米面态之间的相变本质是什么？
• RQ3 该异质结构中的Kondo晶格能否支持拓扑杂化能隙与量化反常霍尔效应？
• RQ4 该手性Kondo晶格中的Kondo温度如何随载流子浓度变化？
• RQ5 位移场与Zeeman场在调控拓扑与磁性相中起什么作用？

主要发现

• 手性Kondo晶格在平均场近似下表现出小费米面磁体与大费米面重费米液体之间的一级相变。
• Kondo交换相互作用诱导出拓扑杂化能隙，导致量化陈数$ C_\uparrow = -C_\downarrow = 1 $。
• 反常霍尔效应源于动量空间中贝里曲率的缠绕，即使在无外磁场时也表现出非零霍尔电导率。
• 反常霍尔电导率在有限动量处达到最大值，且对Zeeman场与掺杂水平高度敏感。
• 在填充因子$ n=2 $时，系统支持拓扑Kondo半金属态，与量子自旋霍尔Kondo绝缘体态通过绝热连接。
• 由于杂化作用的手性特性，Kondo温度对载流子浓度表现出强烈依赖性。