香港大学合作最新Science

控制基本晶格几何结构的能力可能使新兴量子基态之间的转换成为可能。

2023年6月22日，香港大学姚望和华盛顿大学许晓栋团队合作在Science 在线发表了题为“Programming correlated magnetic states with gate-controlled moiré geometry”的研究论文，该研究报道了R堆叠MoTe2莫尔(moiré)双层中电子多体哈密顿量的蜂窝和三角形晶格几何之间的原位栅极开关，从而产生可切换的磁交换相互作用。

在零电场下，研究观察到一个相关的铁磁绝缘体靠近一个空穴，居里温度可广泛调节，最高可达14K。施加电场将系统转换成一个半填充的三角形晶格，具有反铁磁相互作用;进一步掺杂，该层极化超晶格将反铁磁交换相互作用调回铁磁。总之，该研究的工作证明了R堆叠MoTe2 莫尔可作为一个实验室用来工程化非平凡拓扑结构晶体的相关状态。

晶体固体的物理性质从根本上是由它们的晶格结构决定的。因此，控制晶格参数的能力将使获得复杂的电子相图成为可能。二维范德华晶体的莫尔超晶格最近作为强大的合成量子材料出现，能够实现具有可控超晶格常数、层堆叠排列和库仑相互作用强度。到目前为止，在三角形晶格中已经证明了大量相关和拓扑电子态。然而，蜂窝晶格作为一种研究强相关现象的模型系统，仍有待探索。此外，原位可控的超晶格几何尚未实现，这将是一种完全不同的方法来电调谐具有不同对称性的状态之间的相变。

菱形(R-)叠合过渡金属二硫化物(TMD) 莫尔双分子层可能提供这样的机会。在超级单体中，莫尔势有两个最小值的简并能量，即MX (B亚晶格)和XM (C亚晶格)位点。这里，MX表示一层的过渡金属原子(M)位于另一层的硫原子(X)之上。相应的莫尔轨道定位在相反的层中，形成一个蜂窝晶格，亚晶格伪自旋锁定在层伪自旋上。垂直电场的应用诱导了层极化，并打破了B和C亚晶格的局域的摩尔轨道之间的能量简并，导致从蜂窝到三角形晶格对称的过渡。因此，当考虑到自旋简并时，在每个摩尔位点掺杂一个空穴时，电场将空穴晶格从两个轨道、四分之一填充的蜂窝晶格切换到一个轨道、半填充的三角形晶格。

从理论上预测，R堆叠的均质层莫尔层会产生一系列有趣的现象，包括量子自旋霍尔效应、铁电莫特绝缘体、整数和分数量子反常霍尔态，以及电场诱导的电子相变。实验上，在扭曲的R-堆叠双层中，已经报道了莫尔铁电性、层间激子-电极化耦合、相关电子相和每个莫尔单位电池近一个空穴的量子临界性(v=-1)。

控制晶体铁磁性转换（图源自Science ）

该研究显示了扭曲MoTe2双层体系的另一种独特能力-通过接近具有可调谐掺杂的莫尔层来控制三角形晶格中相关绝缘态的磁顺序。从大D场的 v=-1开始，顶层是一个绝缘体，在莫尔的B位局部矩之间存在反铁磁相互作用，底层是一个空的三角形晶格。当研究人员将掺杂量增加到v=-(1+x)且x<1时，只要现场Columb相互作用u大于D场诱导的电荷转移间隙，多余的载流子x就会进入下层的第一个小带，化学势则保持在顶层的电荷间隙内。这实现了莫特绝缘状态附近的掺杂莫尔层。总之，该研究证明了R堆叠的扭曲双层MoTe是探索具有电可调谐莫尔几何的相互作用感应磁性的模型系统。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg4268

转自：“iNature”微信公众号

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