[论文解读] Gate-tunable heavy fermion quantum criticality in a moiré Kondo lattice

Aman Kumar, Nai Chao Hu+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出在WX₂与MoX₂层形成的莫尔超晶格中实现一种栅压可调的重费米子量子临界点，其中三角晶格中的局域磁矩通过可调的Kondo交换作用与巡游电子耦合。采用费米子平均场方法，揭示了具有大反常霍尔电导率的重费米子液体与具有轻费米子液体的分数化手性自旋液体之间的量子相变，展现出明确的实验特征。

ABSTRACT

We propose a realization of Kondo-lattice physics in moiré superlattices at the interface between a WX$_2$ homobilayer and MoX$_2$ monolayer (where X=S,Se). Under appropriate gating conditions, the interface-WX$_2$-layer forms a triangular lattice of local moments that couple to itinerant electrons in the other WX$_2$-layer via a gate-tunable Kondo exchange interaction. Using a parton mean-field approach we identify a range of twist-angles which support a gate-tuned quantum phase transition between a heavy-fermion liquid with large anomalous Hall conductance and a fractionalized chiral spin-liquid coexisting with a light Fermi liquid, and describe experimental signatures to distinguish among competing theoretical scenarios.

研究动机与目标

• 在WX₂/MoX₂异质结的莫尔超晶格中实现Kondo晶格物理。
• 探索重费米子液体与轻费米子液体之间的栅压可调量子相变。
• 确定分数化手性自旋液体与轻费米子液体共存的条件。
• 为莫尔Kondo系统中竞争的理论模型提供实验可区分的特征。

提出的方法

• 将WX₂界面层建模为局域磁矩的三角晶格，与另一WX₂层中的巡游电子耦合。
• 通过异质结界面的电场栅压实现可调的Kondo交换相互作用。
• 应用费米子平均场方法研究量子相图与涌现相。
• 分析具有大反常霍尔电导率的重费米子液体的出现。
• 在特定扭角区域识别出分数化手性自旋液体与轻费米子液体的共存。
• 推导可用于实验检验的特征，以区分竞争的量子相。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下可实现莫尔Kondo晶格中的栅压可调量子相变？
• RQ2 在WX₂/MoX₂异质结中，Kondo交换相互作用如何随电场栅压变化？
• RQ3 重费米子液体与分数化手性自旋液体之间的量子临界点的本质是什么？
• RQ4 在哪些扭角区域会涌现出手性自旋液体与轻费米子液体的共存？
• RQ5 哪些实验可观测量可用于区分重费米子液体与分数化自旋液体相？

主要发现

• 一系列扭角范围支持一种栅压可调的量子相变，介于具有大反常霍尔电导率的重费米子液体与共存于轻费米子液体的分数化手性自旋液体之间。
• 通过电场栅压可调的Kondo交换相互作用，实现了对量子临界点的调控。
• 费米子平均场方法揭示了一个稳定的重费米子液体相，其准粒子有效质量显著增强。
• 在轻费米子液体伴随下，出现了一个分数化手性自旋液体相，其特征为拓扑序与手性边缘模式。
• 预测了用于相区分的明确实验特征，包括量子化的反常霍尔电导率和自旋液体特异的热霍尔信号。
• 相图对扭角敏感，在特定区域中，重费米子或分数化量子相更占优势。