[论文解读] Spin-valley locked instabilities in moire transition metal dichalcogenides with conventional and higher-order Van Hove singularities

Yi‐Ting Hsu, Fengcheng Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2021

2D Materials and Applications参考文献 57被引用 34

一句话总结

本文通过微扰重整化群（RG）分析，研究了扭曲双层过渡金属二硫属化物（TMDs）中自旋-谷锁定导致的不稳定性，重点关注具有常规和高阶范霍夫奇点（VHS）的体系。研究发现，自旋-谷锁定抑制了石墨烯基莫尔超晶格中常见的不稳定性，并驱动出现新型相，如自旋极化和谷极化的铁磁性以及混合对称性拓扑超导性。关键的是，对于两个高阶VHS，即使裸响应函数发散，仍存在一种无对称性破缺的金属态，这是由于自旋-谷锁定约束下，谷间相互作用趋于边缘化所致。

ABSTRACT

Recent experiments have observed correlated insulating and possible superconducting phases in twisted homobilayer transition metal dichalcogenides (TMDs). Besides the spin-valley locked moire bands due to the intrinsic Ising spin-orbit coupling, homobilayer moire TMDs also possess either logarithmic or power-law divergent Van Hove singularities (VHS) near the Fermi surface, controllable by an external displacement field. The former and the latter are dubbed conventional and higher-order VHS, respectively. Here, we perform a perturbative renormalization group (RG) analysis to unbiasedly study the dominant instabilities in homobilayer TMDs for both the conventional and higher-order VHS cases. We find that the spin-valley locking largely alters the RG flows and leads to instabilities unexpected in the corresponding extensively-studied graphene-based moire systems, such as spin- and valley-polarized ferromagnetism and topological superconductivity with mixed parity. In particular, for the case with two higher-order VHS, we find a spin-valley-locking-driven metallic state with no symmetry breaking in the TMDs despite the diverging bare susceptibility. Our results show how the spin-valley locking significantly affects the RG analysis and demonstrate that moire TMDs are suitable platforms to realize various interaction-induced spin-valley locked phases, highlighting physics fundamentally different from the well-studied graphene-based moire systems.

研究动机与目标

• 理解莫尔TMD中自旋-谷锁定如何改变电子关联驱动不稳定性相图，相较于石墨烯基莫尔超晶格体系。
• 研究常规（对数型）与高阶（幂律型）范霍夫奇点在决定主导不稳定性中的作用。
• 确定在自旋-谷锁定条件下，发散的裸响应函数是否导致长程序或奇异金属态。
• 探索通过外加位移场可调VHS的TMD莫尔超晶格体系中，拓扑超导性与对称性破缺相的出现机制。

提出的方法

• 采用抛物线重整化群（RG）方法，无偏地分析位于范霍夫奇点附近的区域中粒子-粒子与粒子--hole不稳定性。
• 针对常规VHS采用六区模型，针对高阶VHS采用双区模型，将完整的莫尔布里渊区简化为相关低能区域。
• 使用微扰RG流方程追踪相互作用耦合常数的标度行为，包括库珀（配对）通道与密度-密度（粒子-hole）通道。
• 通过费米统计约束引入自旋-谷锁定，将有效费米子风味从两个减少为一个，从而改变相互作用对称性。
• 同时处理排斥与吸引的裸相互作用，以评估不同相的稳定性。
• 计算高阶VHS的裸响应函数Πph(0)、Πpp(0)与Πph(Q)，显示态密度中幂律发散，指数为−1/3。

实验结果

研究问题

• RQ1 在莫尔TMD中，自旋-谷锁定如何改变RG流，并与自旋简并的石墨烯体系相比，抑制或稳定不稳定性？
• RQ2 在费米能级附近存在六个常规VHS的同质双层TMD中，主导的相互作用驱动相是什么？
• RQ3 当存在两个高阶VHS时，即使裸响应函数发散，是否可能产生无长程序的金属态？
• RQ4 两个VHS区域之间的嵌套条件如何影响在自旋-谷锁定下系统的稳定性？
• RQ5 在高阶VHS情况下，超导配对的性质是什么，特别是在吸引相互作用下？

主要发现

• 自旋-谷锁定抑制了石墨烯基莫尔超晶格中显著存在的对角密度波与常规电荷/磁性不稳定性。
• 对于六个常规VHS，根据裸相互作用符号的不同，自旋极化与谷极化的铁磁性以及混合对称性拓扑超导性成为主导不稳定性。
• 在双区高阶VHS情况下，若嵌套完美，由于谷间密度-密度相互作用趋于边缘化，系统在微扰理论二阶以内稳定为无对称性破缺的金属态。
• 当嵌套不完美且裸相互作用为排斥时，出现第二种无长程序的金属态，其中粒子-hole相互作用在低能极限下变得无关。
• 在双区情况下，若裸相互作用为吸引，混合对称性超导态为最主导的不稳定性，与自旋简并体系中的单对称性配对不同。
• 金属态中无对称性破缺是自旋-谷锁定的直接结果，其抑制了原本在自旋简并体系中会驱动长程序的相互作用。