[论文解读] Pseudogap metal and magnetization plateau from doping moiré Mott insulator

Yang Zhang, Liang Fu|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在三角晶格上的掺杂莫尔莫特绝缘体中出现的新型赝能隙金属相，该相由自旋极化子——空穴与自旋翻转的束缚态——在中等磁场下驱动。该相表现出单粒子能隙，且总自旋 $ S_p = N(1 - 3\bar{u})/2 $ 的磁化平台随掺杂浓度变化，与传统费米液体和完全极化金属相相区别。

ABSTRACT

The problem of doping Mott insulators is of fundamental importance and long-standing interest in the study of strongly correlated electron systems. The advent of semiconductor based moiré materials opens a new ground for simulating the Hubbard model on the triangular lattice and exploring the rich phase diagram of doped Mott insulators as a function of doping and external magnetic field. Based on our recent identification of spin polaron quasiparticle in Mott insulator, in this work we predict a new metallic state emerges at small doping and intermediate field range, a pseudogap metal that exhibits a single-particle gap and a doping-dependent magnetization plateau.

研究动机与目标

• 识别并表征掺杂莫尔莫特绝缘体中偏离传统费米液体行为的新型金属态。
• 理解自旋极化子准粒子——空穴与自旋翻转的束缚态——在稳定具有单粒子能隙的金属相中的作用。
• 确定磁化平台出现的条件，作为掺杂浓度与磁场的函数。
• 建立理论框架，以区分该赝能隙金属相与完全极化金属及反铁磁态。

提出的方法

• 在三角晶格上采用无限U Hubbard模型，描述莫尔超晶格中强关联电子的行为。
• 使用密度矩阵重正则化组（DMRG）模拟，计算作为掺杂浓度 $ \bar{\nu} = 1 - n $ 和Zeeman场 $ h $ 函数的基态能量与总自旋 $ S $。
• 定义单粒子能隙 $ \triangle E_{e,s} = E(N, S_N + s - s_0) - E_N $，其中 $ s_0 = 3/2 $ 对应自旋极化子，以量化添加一个电子的能量成本。
• 通过双条梯状结构与三通道圆柱体的有限尺寸标度分析磁化曲线，确认磁化平台的稳定性。
• 比较自旋极化子金属（$ 4a $）与完全极化金属（$ 8a $）的费米面结构及量子振荡周期，以区分相态。
• 从自旋极化子结合能与掺杂依赖的自旋含量推导出磁化平台条件 $ S_p = N(1 - 3\bar{\nu})/2 $。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小空穴掺杂与中等磁场下，掺杂莫尔莫特绝缘体中是否会出现具有单粒子能隙的金属态？
• RQ2 在自旋极化子金属相中观测到的磁化平台的微观起源是什么？
• RQ3 自旋极化子准粒子结构与传统费米液体或完全极化金属的结构有何不同？
• RQ4 磁化平台能否与掺杂水平 $ \bar{\nu} $ 定量关联？这对准粒子的本质意味着什么？
• RQ5 哪些实验信号——如量子振荡频率或朗道能级简并度——可用来区分赝能隙金属与其他金属相？

主要发现

• 在小空穴掺杂 $ \bar{\nu} = 1 - n > 0 $ 与中等磁场下，出现一种新型赝能隙金属相，其特征为单粒子能隙与掺杂依赖的磁化平台。
• 磁化平台被量化为 $ S_p = N(1 - 3\bar{\nu})/2 $，其中 $ N $ 为莫尔原胞数目，表明其源于自旋极化子，具有有效自旋-3/2的准粒子。
• 单粒子能隙源于所添加电子（自旋-1/2）与自旋极化子（自旋-3/2）之间的自旋失配，能隙能量 $ \triangle E_{e,s} $ 等于自旋能隙。
• 在自旋极化子金属中，费米面为以 $ \bm{k} = 0 $ 为中心的单一口袋，导致量子振荡周期为 $ 4a $，而完全极化金属中为 $ 8a $。
• 赝能隙金属向完全极化金属的转变由费米面体积与朗道能级简并度的不连续变化所标志。
• 在零磁场下，小掺杂诱导出 $ 120^\text{circ} $ 自旋序，与反铁磁关联一致，证实低磁场下不存在额外平台。