[论文解读] Programming Correlated Magnetic States via Gate Controlled Moiré Geometry

Eric Anderson, Feng‐Ren Fan+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2023

Magnetic properties of thin films被引用 9

一句话总结

本论文在 R-stacked MoTe2 双层中实现了在蜂窝和三角形莫尔嵌层之间的原位门控切换，从而实现可切换的磁性交换相互作用和可调磁态。

ABSTRACT

Understanding quantum many-body systems is at the heart of condensed matter physics. The ability to control the underlying lattice geometry of a system, and thus its many-body interactions, would enable the realization of and transition between emergent quantum ground states. Here, we report in-situ gate switching between honeycomb and triangular lattice geometries of an electron many-body Hamiltonian in R-stacked MoTe2 moiré bilayers, resulting in switchable magnetic exchange interactions. At zero electric field, we observe a correlated ferromagnetic insulator near one hole per moiré unit cell (ν=-1), i.e., a quarter-filled honeycomb lattice, with a widely tunable Curie temperature up to 14K. Fully polarizing layer pseudospin via electric field switches the system into a half-filled triangular lattice with antiferromagnetic interactions. Further doping this layer-polarized superlattice introduces carriers into the empty layer, tuning the antiferromagnetic exchange interaction back to ferromagnetic. Our work demonstrates R-stacked MoTe2 moirés to be a new laboratory for engineering correlated states with nontrivial topology.

研究动机与目标

• 推动控制晶格几何以在相关电子系统中实现并切换出现的量子基态。
• 证明在 R-stacked MoTe2 双层中栅控可在不同莫尔格子几何（蜂窝 vs 三角形）之间切换。
• 表征晶格几何和层极化如何影响磁性交换相互作用和相关绝缘行为。

提出的方法

• 在原位栅控下制造并研究 R-stacked MoTe2 莫尔线对。
• 作为填充和电场的函数观察磁态和交换相互作用。
• 通过施加电场极化层伪自旋来切换晶格几何。
• 通过栅控和掺杂改变载流子在层之间的移动来调节磁相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 栅控能否将莫尔双层中的有效莫尔格几何从蜂窝切换到三角形？
• RQ2 晶格几何和层极化如何影响系统中的磁性交换相互作用（铁磁与反铁磁）？
• RQ3 载流子填充、栅控极化与由此产生的磁态之间的关系是什么？
• RQ4 栅控对莫尔几何的改变是否能够实现相关磁态的可逆控制？

主要发现

• 在零电场下，该系统在每个莫尔单元格约一个空穴附近表现为相关铁磁绝缘体，具有可调的居里温度，最高可达 14 K。
• 通过电场完全极化层伪自旋将系统切换到半填充三角晶格，具有反铁磁相互作用。
• 进一步掺杂层极化的超晶格使载流子进入空层并将反铁磁交换重新调回铁磁。
• 这些结果确立了在栅控下，R-stacked MoTe2 莫尔体系作为通过 gate 控制实现具有非平凡拓扑的相关态的平台。