[论文解读] Metal-Insulator Transition with Charge Fractionalization

Yichen Xu, Wu, Xiao-Chuan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2021

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques被引用 5

一句话总结

本文提出了一种过渡金属二硫属化物（TMD）莫尔异质结中由相互作用驱动的连续金属-绝缘体相变（MIT）理论，其中在MIT过程中由于任意子描述中的涌现粒子-空穴对称性，出现电荷分数化。关键结果是出现普遍的电阻率跳跃和较大的临界电阻率，与以往的MIT理论相区别，并为输运测量提供了可检验的特征。

ABSTRACT

It has been proposed that an extended version of the Hubbard model which potentially hosts rich correlated physics may be well simulated by the transition metal dichalcogenide (TMD) moiré heterostructures. Motivated by recent reports of continuous metal-insulator transition (MIT) at half filling, as well as correlated insulators at various fractional fillings in TMD moiré heterostructures, we propose a theory for the potentially continuous MIT with fractionalized electric charges. The charge fractionalization at the MIT will lead to various experimental observable effects, such as a large critical resistivity as well as large universal resistivity jump at the continuous MIT. These predictions are different from previously proposed theory for interaction-driven continuous MIT. Physics in phases near the MIT will also be discussed.

研究动机与目标

• 理解TMD莫尔异质结中相互作用驱动的金属-绝缘体相变（MIT）的本质，特别是在半满填充（ν=1/2）时的情况。
• 识别电荷分数化和涌现粒子-空穴对称性在具有平凡能带拓扑的系统中促成连续MIT的作用。
• 通过识别如较大的临界电阻率和普遍的电阻率跳跃等独特输运特征，将此MIT机制与以往理论区分开来。
• 基于具有自旋-轨道耦合的三角晶格上的扩展 Hubbard 模型，提供一个理论框架，以模拟丰富的关联物理行为。

提出的方法

• 作者采用任意子描述来表征三角莫尔晶格上扩展 Hubbard 模型的低能物理，捕捉自旋-电荷分离。
• 他们使用具有涌现粒子-空穴对称性的理论分析该系统，该对称性在零温下抑制了Drude权重，导致Drude峰消失。
• 在任意子描述框架下计算光学电导率，引入流体动力学修正和由杂质引起的动量弛豫时间 τp 来正则化发散。
• 该理论包含了自旋-轨道耦合以及对称性允许的跃迁和相互作用项的影响，确保与TMD莫尔体系有效哈密顿量的一致性。
• 作者将他们的模型与扩展 Hubbard 模型的数值模拟进行比较，表明在普适类和准粒子权重标度方面存在可检验的差异。
• 他们强调在有限频率下测量光学电导率的重要性，以避免流体动力学和杂质修正带来的复杂性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在TMD莫尔异质结中，半满填充（ν=1/2）处的连续金属-绝缘体相变的本质是什么？它与以往的MIT理论有何不同？
• RQ2 电荷分数化在MIT中如何表现？其在输运和光学响应中的可观测后果是什么？
• RQ3 涌现的粒子-空穴对称性在抑制Drude权重并导致普遍电阻率跳跃中起什么作用？
• RQ4 流体动力学修正和动量弛豫如何影响低温极限下的光学电导率？
• RQ5 通过扩展 Hubbard 模型的数值模拟，能否将所提出的MIT机制与其它相互作用驱动的MIT区分开来？

主要发现

• 在TMD莫尔异质结中，半满填充（ν=1/2）处的MIT被预测为连续的，由强关联驱动，电荷分数化源于涌现的粒子-空穴对称性。
• 该理论预测在MIT处出现较大的临界电阻率和普遍的电阻率跳跃，这些特征与以往理论不同，是关键的实验信号。
• 由于涌现的粒子-空穴对称性，零温下Drude权重消失，意味着光学电导率中的Drude峰也消失。
• 光学电导率的流体动力学修正在直流极限下发散，但被杂质引起的动量弛豫时间 τp 截断，因此在低温下仅为微小修正。
• 有限频率下的光学电导率（σ(∞)）不受这些复杂性的影响，被提议作为更可靠理论和实验可观测量。
• 该模型预测绝缘相中存在自旋子费米面，未来可通过包含自旋-轨道耦合的扩展 Hubbard 模型的数值模拟进行探测。