[论文解读] Emergence of ferromagnetism at the onset of moiré Kondo breakdown

Wenjin Zhao, Bowen Shen+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Rare-earth and actinide compoundsPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究通过密度调制的输运与光学测量，揭示了在AB堆叠的MoTe2/WSe2双层异质结构中，莫尔Kondo破缺起始时出现铁磁性的现象。随着载流子密度降低，Kondo温度下降，导致重费米子液体向绝缘体的转变，同时伴随铁磁序的出现，与铁磁性安德森绝缘体一致，并且Kondo屏蔽被抑制。

ABSTRACT

The interaction of a lattice of localized magnetic moments with a sea of conduction electrons in Kondo lattice models induces rich quantum phases of matter, such as Fermi liquids with heavily renormalized electronic quasiparticles, quantum critical non-Fermi liquid metals and unconventional superconductors, among others. The recent demonstration of moiré Kondo lattices has opened the door to investigate the Kondo problem with continuously tunable parameters. Although a heavy Fermi liquid phase has been identified in moiré Kondo lattices, the magnetic phases and Kondo breakdown transitions remain unexplored. Here we report a density-tuned Kondo destruction in AB-stacked MoTe2/WSe2 moiré bilayers by combining magneto transport and optical studies. As the itinerant carrier density decreases, the Kondo temperature decreases. At a critical density, we observe a heavy Fermi liquid to insulator transition, and a nearly concomitant emergence of ferromagnetic order. The observation is consistent with the scenario of a ferromagnetic Anderson insulator and suppression of the Kondo screening effect. Our results pave the path for inducing other exotic quantum phase transitions in moiré Kondo lattices.

研究动机与目标

• 研究莫尔Kondo晶格中尚未探索的磁性相与Kondo破缺转变，尽管已观察到重费米子液体。
• 探讨二维莫尔超晶格中Kondo屏蔽、电子关联与涌现磁性之间的相互作用。
• 确定载流子密度在驱动量子相变中的作用，特别是从重费米子液体到绝缘体并伴随铁磁性的转变。
• 为莫尔Kondo晶格体系中形成铁磁性安德森绝缘体提供实验证据。
• 建立通过可调参数诱导莫尔异质结构中奇异量子相变的平台。

提出的方法

• 在AB堆叠的MoTe2/WSe2莫尔超晶格双层中，采用密度调制的磁电输运测量，探测电子关联。
• 进行光学光谱测量，探测电子响应，并识别Kondo屏蔽与磁序的特征信号。
• 监测Kondo温度随载流子密度的变化，以识别Kondo破缺的起始点。
• 分析Mott转变附近的输运行为，检测绝缘相与磁性相的出现。
• 利用观察到的Kondo屏蔽抑制与铁磁性的出现，推断铁磁性安德森绝缘体的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 载流子密度调制如何影响莫尔Kondo晶格中的Kondo屏蔽与电子相？
• RQ2 在MoTe2/WSe2莫尔异质结构中，从重费米子液体到绝缘体的量子相变本质是什么？
• RQ3 绝缘行为的出现是否与铁磁序的出现同步发生？如果是，其潜在机制是什么？
• RQ4 所观察到的磁性相是否可由Kondo屏蔽被抑制的铁磁性安德森绝缘体情景解释？
• RQ5 莫尔超晶格势场在稳定奇异量子相（如Kondo破缺与铁磁性）中起什么作用？

主要发现

• 在临界载流子密度处观察到重费米子液体向绝缘体的转变，同时Kondo温度急剧下降。
• 铁磁序几乎与绝缘相转变同时出现，表明Kondo破缺与磁序之间存在紧密关联。
• 所观察到的行为与铁磁性安德森绝缘体一致，其中局域磁矩因Kondo破缺而未被传导电子屏蔽。
• Kondo屏蔽的抑制直接与绝缘相和铁磁相的出现相关，支持Kondo关联与磁关联竞争的场景。
• 结果表明，莫尔Kondo晶格为探索奇异量子相变（包括Kondo破缺与涌现磁性）提供了可调平台。
• 输运与光学测量的结合证实了在低载流子密度下，绝缘行为与铁磁性的共存。