[论文解读] Multiferroicity and Topology in Twisted Transition Metal Dichalcogenides

Ahmed Abouelkomsan, Emil J. Bergholtz+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2022

2D Materials and Applications参考文献 73被引用 5

一句话总结

本研究揭示，在扭曲过渡金属二硫属化物（TMD）同质结在空穴填充因子 νₕ=1 时，长程库仑相互作用会驱动一种强鲁棒性的自发多铁相——同时表现出自旋-谷极化的铁磁性与层极化的铁电性；而当相互作用范围缩短时，则诱导发生拓扑相变，形成陈绝缘体相。这些发现确立了扭曲TMDs作为电控磁性的高度可调平台。

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures have recently emerged as an exciting platform for investigating the effects of strong electronic correlations, including various forms of magnetic or electrical orders. Here, we perform an unbiased exact diagonalization study of the effects of interactions on topological flat bands of twisted transition metal dichalcogenides (TMDs) at odd integer fillings. For hole-filling $ν_h = 1$, we find that Chern insulator phases, expected from interaction-induced spin-valley polarization of the bare bands, are quite fragile, and give way to spontaneous multiferroic order -- coexisting ferroelectricity and ferromagnetism, in presence of long-range Coulomb repulsion. We provide a simple real-space picture to understand the phase diagram as a function of interaction range and strength. Our findings establish twisted TMDs as a novel and highly tunable platform for multiferroicity, and we outline a potential route towards electrical control of magnetism in the multiferroic phase.

研究动机与目标

• 研究扭曲TMD同质结在奇数整数空穴填充因子下的拓扑平坦能带中相互作用驱动的关联物态。
• 确定在长程库仑排斥作用下，陈绝缘体相相对于竞争性多铁序的稳定性。
• 通过能带结构的实空间图像，理解多铁相与拓扑相之间的竞争机制。
• 识别扭曲TMD异质结中多铁相的实验可观测信号。
• 探讨相互作用范围与强度在稳定或抑制多铁序与拓扑磁性方面的作用。

提出的方法

• 在有限动量空间簇上采用无偏精确对角化方法，研究 νₕ=1 时扭曲TMDs的相互作用哈密顿量。
• 采用MoTe₂在 θ=1.2° 时的连续模型，将轨道投影到每个谷中具有相反陈数的活性价带。
• 通过可调库仑相互作用范围与强度的密度-密度哈密顿量建模相互作用，包括长程和屏蔽相互作用。
• 应用粒子-空穴对偶性分析 νₕ=3（νₚ=1）填充区域，并与 νₕ=1 进行对比，揭示自旋-谷极化稳定性方面的差异。
• 构建拓扑平坦能带的实空间图像，以解释多铁相与陈绝缘体相之间的竞争。
• 在多种簇几何结构（C4、C6、C8）上执行数值对角化，以评估有限尺寸效应及相的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长程库仑相互作用下，扭曲TMD同质结在 νₕ=1 时会涌现出哪些关联物态？
• RQ2 库仑相互作用的范围如何影响多铁相与陈绝缘体相的稳定性？
• RQ3 为何尽管能带拓扑结构预期存在，自旋-谷极化在 νₕ=1 时仍表现出脆弱性？
• RQ4 在 νₕ=3 时，相互作用诱导的单体项在破坏自旋-谷铁磁性中起什么作用？
• RQ5 多铁相是否可被实验探测？其信号如何与其它关联态相区分？

主要发现

• 在 νₕ=1 时，长程库仑排斥作用稳定了强鲁棒性的自发多铁相，该相同时包含自旋-谷极化导致的铁磁性与层极化导致的铁电性。
• 当相互作用范围变短时，多铁相变得脆弱，系统发生拓扑相变，转变为铁磁性陈绝缘体相。
• 在 U₀=20 meV 时，相互作用诱导的单体项产生约 1.1–1.2 meV 的有效能带宽，超过非相互作用能带宽（约 0.26–0.92 meV），从而在 νₕ=3 时破坏自旋-谷极化。
• 在多个簇（C4、C6、C8）上的精确对角化结果证实了多铁相与陈绝缘体相的鲁棒性，其中C6表现出具有C₂y对称性破缺的中间相，可能具有反铁磁条纹序。
• 有限尺寸效应阻碍了对中间相的明确识别，但C6中观察到的对称性破缺模式暗示了其存在。
• 通过调节相互作用范围与强度，相图可实现高度调控，确立了扭曲TMDs作为多铁性与磁性电控的高可控平台。