[论文解读] Chiral Pseudo Spin Liquids in Moire Heterostructures

Clemens Kuhlenkamp, Wilhelm Kadow+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 62被引用 3

一句话总结

本文提出在强磁场下构建多层莫尔异质结构，作为实现手性赝自旋自旋液体的可调平台——一种由磁通诱导的环交换过程稳定、具有拓扑序的莫特绝缘体相。通过将层自由度视为 SU(2) 赝自旋，系统在抑制动能的同时保持对称性，从而在广泛参数范围内实现稳健的手性自旋液体相，尤其在中等至强相互作用及有限磁通的莫特极限下表现突出。

ABSTRACT

We propose multi-layer moire structures in strong external magnetic fields as a novel platform for realizing highly-tunable, frustrated Hubbard physics with topological order. Identifying the layer degree of freedom as a pseudo spin, allows us to retain SU(2) symmetry while controlling ring-exchange processes and concurrently quenching the kinetic energy by large external magnetic fields. This way, a broad class of interacting Hubbard-Hofstadter states and their transitions can be studied. Remarkably, in the limit of strong interactions the system becomes Mott insulating and we find chiral pseudo spin liquid phases which are induced by the magnetic field. We find that this topologically ordered state remains exceptionally stable towards relevant perturbations. We discuss how layer pseudo-spin can be probed in near-term experiments. As the magnetic flux can be easily tuned in moire systems, our approach provides a promising route towards the experimental realization and control of topologically ordered phases of matter.

研究动机与目标

• 识别一种高度可调的固态平台，以实现并调控拓扑序量子态，特别是手性自旋液体。
• 通过利用具有可调磁通和层赝自旋的莫尔异质结构，克服传统自旋液体的脆弱性与参数敏感性。
• 通过外部磁场诱导的受控环交换过程，在莫特绝缘体区域稳定并表征手性赝自旋液体相。
• 为近期内基于莫尔结构的量子器件中探测赝自旋液体序提供实验可实现的特征信号。

提出的方法

• 将系统建模为具有两种赝自旋风味（上层与下层）的有效三角晶格 Hubbard 模型，将层自由度视为 SU(2) 赝自旋以保持对称性。
• 施加强外部磁场以抑制动能并诱导依赖于磁通的环交换项，从而稳定拓扑序。
• 在柱状几何结构上使用无限密度矩阵重整化群（iDMRG）模拟，计算纠缠谱、关联函数以及磁通插入下的电荷/自旋泵浦行为。
• 通过纠缠谱计数分析边缘理论，确认拓扑序，特别是与 SU(2)1 WZW 模型的 (1,1,2,3,5,...) 计数模式一致。
• 通过调节磁通和相互作用强度，研究霍夫施塔特态与手性自旋液体之间的相变。
• 提出实验探测手段，如磁通插入协议与关联测量，以检测赝自旋液体的拓ological 性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过受控的环交换过程，在强磁场下的莫尔异质结构中稳定手性赝自旋液体相？
• RQ2 这些手性自旋液体相在面对有限尺寸效应和对称性破缺项等微扰时有多稳健？
• RQ3 在莫尔体系中，哪些实验特征可将手性赝自旋液体与平凡或传统有序相区分开来？
• RQ4 磁通、莫特物理与几何简并之间的相互作用如何导致包含绝缘体-绝缘体相变的丰富相图？
• RQ5 通过受控磁通插入下的电荷与自旋泵浦，能否证实手性自旋液体的拓扑性质？

主要发现

• 在莫特绝缘体极限下，对于中等至强相互作用及有限磁通，手性赝自旋液体相表现出强鲁棒性，尤其在 Φ = π/2 和 Φ = π/3 时。
• 莫特区域的纠缠谱与 SU(2)1 WZW 模型的 (1,1,2,3,5,...) 计数规则完全匹配，证实了拓扑序的存在及无能隙边缘模式。
• 在磁通插入下，系统泵浦整数量赝自旋，证实了自任何子能带的拓扑性质以及该态的分数量霍尔特征。
• 关联函数显示自旋与密度关联呈指数衰减，仅存在微弱的残余电荷序（≈10−4），表明在弱相互作用区域为无特征的霍尔态。
• 对称磁通插入下无电荷或自旋泵浦，而反向磁通下出现分数量自旋霍尔效应，进一步证实该态为绝缘性且具有拓扑特性。
• 手性赝自旋液体在不同磁通值下保持稳定，对有限尺寸效应具有鲁棒性，且在不同动量区（ky = 0 与 ky = π）表现出截然不同的纠缠谱。