[论文解读] Composite Fermi Liquid at Zero Magnetic Field in Twisted MoTe$_2$

Junkai Dong, Jie Wang+3 more|PubMed|Jun 2, 2023

Topological Materials and Phenomena参考文献 95被引用 12

一句话总结

该论文在扭曲的 MoTe2 上以半充填证明了一个 zero-field composite Fermi liquid (CFL) 相，得到 ED 与 iDMRG 研究的支持，并提供了一个 zero-field CFL 波函数及将其与费米液体区分开来的实验信号。

ABSTRACT

The pursuit of exotic phases of matter outside of the extreme conditions of a quantizing magnetic field is a long-standing quest of solid state physics. Recent experiments have observed spontaneous valley polarization and fractional Chern insulators in zero magnetic field in twisted bilayers of MoTe_{2}, at partial filling of the topological valence band (ν=-2/3 and -3/5). We study the topological valence band at half filling, using exact diagonalization and density matrix renormalization group calculations. We discover a composite Fermi liquid (CFL) phase even at zero magnetic field that covers a large portion of the phase diagram near twist angle ∼3.6°. The CFL is a non-Fermi liquid phase with metallic behavior despite the absence of Landau quasiparticles. We discuss experimental implications including the competition between the CFL and a Fermi liquid, which can be tuned with a displacement field. The topological valence band has excellent quantum geometry over a wide range of twist angles and a small bandwidth that is, remarkably, reduced by interactions. These key properties stabilize the exotic zero field quantum Hall phases. Finally, we present an optical signature involving "extinguished" optical responses that detects Chern bands with ideal quantum geometry.

研究动机与目标

• 推动在无外加磁场的扭曲 TMDs 中寻找类似量子霍尔态的另类零场相的研究。
• 在近 3.6° 扭角的扭曲 MoTe2 中，识别并表征一个在半充填时的无带隙 CFL 相。
• 展示量子几何与相互作用驱动的带宽抑制如何稳定零场 CFL。
• 提供一个具体的 zero-field CFL 波函数构造，并将其与实验可观测量联系起来。

提出的方法

• 使用精确对角化（ED）和密度矩阵重正化群（DMRG）研究顶部价带在半充填时的情况。
• 将相互作用哈密顿量投射到几乎平坦的 C=1 顶部价带，并使用栅控屏蔽的库仑相互作用。
• 计算多体谱、基态简并性和结构因子以识别 CFL 征兆。
• 构造受 LLL 类结构和带部件子解释启发的 zero-field CFL 波函数。
• 将低能谱与半充填时的最低朗道能级（LLL）进行比较，以确立 CFL 身份。
• 基于带的理想量子几何特征，提出光学与输运探针。

Figure 1: The top valence band has favorable conditions for fractionalized topological phases. Bandstructure as seen from (a) charge neutrality and (b) from $\nu=-1$ computed from self-consistent Hartree-Fock. (c) Quantum geometry in terms of trace condition $T$ and Berry curvature deviation $\sigma

实验结果

研究问题

• RQ1 在现实的莫尔螺旋型 TMD 系统中，零磁场下是否存在无带隙的复合费米液体？
• RQ2 在位移场下，零场 CFL 如何与费米液体以及层/极化不稳定性竞争？
• RQ3 有哪些明确的波函数和实验信号可以将零场 CFL 与常规费米液体区分开？
• RQ4 量子几何和相互作用驱动的带宽重整如何在扭曲的 MoTe2 中稳定零场拓扑相？

主要发现

• 在扭曲的 MoTe2 中，在 θ ≈ 3.6° 附近的 ν = −1/2（以及在补充材料中 ν = −3/4）观测到 CFL 相，并通过类 CFL 的低能谱和结构因子得到证据。
• CFL 基态在库仑相互作用下与半充填 LLL 的光谱一一对应，覆盖系统大小 N_e = 8–14。
• iDMRG 显示准均匀占据且无电子费米面，指示非费米液体的复合费米子。
• 结构因子 S(q) 显示符合跨越复合费米海的散射特征，符合 CFS 的预期。
• 提出了一个明确的 zero-field CFL 波函数，结合了带感应的 CF 行列式与 zeta_l(r) 因子，以及 flux-feeling 部分。
• 顶端价带呈现近乎理想的量子几何，具有微小的 T 和贝里曲率偏差，有助于稳定零场量子霍尔样相。
• 光学信号包括由于可涡旋的 Chern 带导致的左圆偏振跃迁圆二向色性被抑制，提供对理想几何的直接探针。

Figure 2: Numerical identification of the composite Fermi liquid (CFL) from iDMRG. (a) Occupations $n(\boldsymbol{k})$ in the Brillouin zone at $L_{y}=8$ for the Fermi liquid (FL, left side) versus the CFL (right side). (b) Connected structure factor $S(\boldsymbol{q})=\braket{\hat{\rho}_{\boldsymbo