Physiker berichten über die Entstehung von Ferromagnetismus zu Beginn des Kondo-Zusammenbruchs in Moiré-Doppelschichtgittern

Moiré-Übergitter sind Materialien, die aus zwei übereinander gestapelten Schichten bestehen, zwischen denen entweder eine kleine Rotationsfehlausrichtung oder eine Gitterfehlanpassung vorliegt. Das Kondo-Gittermodell hingegen beschreibt Systeme, in denen Leitungselektronen mit lokalisierten magnetischen Verunreinigungen interagieren, was die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Systeme verändert.

In den letzten Jahren ist es Physikern gelungen, Materialien zu entwickeln, die die physikalischen Eigenschaften dieser beiden Systemtypen kombinieren. Diese als Moiré-Kondo-Gitter bekannten Materialien sind im Wesentlichen Moiré-Übergitterstrukturen mit periodischer Anordnung lokalisierter magnetischer Momente, die der durch das Kondo-Gittermodell beschriebenen ähneln.

Forscher am Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, der Cornell University und dem National Institute for Materials Science in Japan haben Moiré-Kondo-Gitter synthetisiert und untersucht, in der Hoffnung, ein besseres Verständnis ihrer zugrunde liegenden Physik zu erlangen.

Ihr jüngster Aufsatz, veröffentlicht In Naturphysikberichtet über die Entstehung von Ferromagnetismus zu Beginn eines dichteabgestimmten Kondo-Zusammenbruchs in MoTe2/WSe2-Moiré-Doppelschichten.

„Unsere Arbeit baut auf unserem früheren Bericht über die Realisierung eines elektrisch abstimmbaren Moiré-Kondo-Gittersystems auf“, sagte Kin Fai Mak, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Dort haben wir über die Herstellung eines künstlichen Kondo-Gitters unter Verwendung von Moiré-Halbleitern und die Beobachtung von Gate-abstimmbaren schweren Fermionen berichtet.“

Ein Hauptziel der Forschungsbemühungen zur Untersuchung der Physik von Kondo-Gittern besteht darin, besser zu verstehen, wie schwere Fermionen in diesen Systemen unter variierenden externen Parametern wie Dotierungsdichte, Magnetfeld und Wechselwirkungsstärke zerfallen. Dieser als Kondo-Zerstörungsübergang bekannte Zusammenbruch geht häufig mit der Entstehung exotischer Materiezustände einher (z. B. der Nicht-Fermi-Flüssigkeitsphase und der unkonventionellen Supraleitung).

In ihrer früheren Forschung haben Mak und seine Kollegen ein hochgradig abstimmbares Moiré-Kondo-Gittersystem entwickelt, das auf MoTe2/WSe2-Moiré-Doppelschichten basiert. Dieses Material bietet eine einzigartige Gelegenheit, den Übergang der Kondo-Zerstörung kontinuierlich zu untersuchen, was sich bei Massenmaterialien mit schweren Fermionen als äußerst anspruchsvoll erwiesen hat.

„Vor diesem Hintergrund ist unser Naturphysik In der Arbeit wurde das Schicksal der schweren Fermionen untersucht, indem die Dichte der wandernden Träger im System kontinuierlich angepasst wurde, wodurch die effektive Kondo-Kopplungsstärke angepasst wurde“, sagte Mak. „In der Nähe einer kritischen Dichte beobachteten wir eine Zerstörung der schweren Fermionen und der gleichzeitigen Entstehung eines ferromagnetischen Anderson-Isolators.

Im Rahmen ihrer neuen Studie untersuchten die Forscher die Kondo-Gitterphysik, die im Moiré-Halbleiter auftritt: der winkelausgerichteten MoTe2/WSe2-Heterobischicht, die in ihrer vorherigen Arbeit vorgestellt wurde. Ihre Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von Moiré-Kondo-Gittern für die Untersuchung des Kondo-Zerstörungsübergangs mithilfe einer einstellbaren Plattform sowie die Möglichkeit, andere exotische Materiezustände in der Nähe eines solchen Übergangs zu realisieren.

„Aufgrund der Gitterfehlanpassung von 7 % zwischen MoTe2 und WSe2 entsteht im Material ein Moiré-Gitter“, erklärte Mak. „Daher ist kein Verdrehungswinkel erforderlich, um das Moiré-Übergitterpotential zu erzeugen. Wir haben Hall-Bar-Geräte mit zwei Gattern hergestellt; das Gerät ermöglicht eine unabhängige Steuerung der gesamten Dotierungsdichte im Material sowie der relativen Aufteilung der Dotierungsdichten in jedem.“ Übergangsmetalldichalkogenidschicht.“

Mit ihrer Herstellungsstrategie konnten Mak und seine Kollegen ihr Material im Kondo-Gitterregime vorbereiten, was es ihnen ermöglichte, den Kondo-Zerstörungsübergang während seines Auftretens kontinuierlich zu untersuchen. Um die Entstehung magnetischer Zustände in der Nähe dieses Phasenübergangs zu untersuchen, verwendeten sie eine Kombination aus Magnetotransport und magnetooptischer Spektroskopie.

„Wir haben die anomale Hall-Reaktion und den spontanen Zirkulardichroismus im Material gemessen, um die Entstehung eines ferromagnetischen Anderson-Isolators zu demonstrieren“, sagte Mak. „Wir haben auch die temperatur- und magnetfeldabhängigen Transporteigenschaften untersucht, um zu zeigen, dass der ferromagnetische Anderson-Isolator in der Nähe des Kondo-Zerstörungsübergangs entsteht.“

Die von diesem Forschungsteam gesammelten Messungen brachten interessante Ergebnisse. Als sich ihr Material dem dichteabgestimmten Kondo-Zerstörungsübergang näherte, beobachteten Mak und seine Kollegen das nahezu gleichzeitige Auftreten eines Metall-zu-Isolator-Übergangs und eines magnetischen Quantenphasenübergangs.

„Da die beiden Übergänge unterschiedliche Freiheitsgrade beinhalten (einer ist Ladung und der andere ist Spin), ist das Auftreten der beiden Übergänge bei nahezu derselben kritischen Dichte unerwartet“, sagte Mak. „Die Beobachtung lädt zu neuen Ideen ein, wie dieser Übergang beschrieben werden kann, ohne dass eine Feinabstimmung der Parameter in der Theorie erforderlich ist.“

Als sich ihr Material dem Kondo-Zerstörungsübergang näherte, beobachtete das Team auch ferromagnetische Korrelationen. Diese Beobachtung steht im Gegensatz zu den meisten früheren Studien, die sich auf andere bekannte Kondo-Zerstörungsübergänge konzentrierten und stattdessen antiferromagnetische magnetische Korrelationen und Ordnungen berichteten.

Die aktuelle Studie von Mak und seinen Kollegen eröffnet somit neue interessante Möglichkeiten für die Untersuchung des Kondo-Zerstörungsübergangs. Insbesondere ermöglicht es die Untersuchung dieses Übergangs in einem anderen Regime, das durch Ferromagnetismus anstelle von Antiferromagnetismus gekennzeichnet ist.

„Ein unmittelbarer Plan für weitere Forschungen wird darin bestehen, den Übergang zur Kondo-Zerstörung durch die Veränderung des Verdrehungswinkels des Materials auf höhere kritische Dichten zu beschleunigen“, sagte Mak. „Bei höheren kritischen Dichten ist mit viel geringeren Auswirkungen von Störungen zu rechnen, wodurch wir den Quantenphasenübergang auf intrinsischere Weise untersuchen können.“

„Frühere theoretische Studien haben Signaturen von Quantenspinflüssigkeiten im intrinsischen Bereich vorhergesagt, wo auch exotische Nicht-Fermi-Flüssigkeiten entstehen könnten.“

In ihren nächsten Studien planen die Forscher auch, nach entstehenden topologischen Zuständen der Materie im Kondo-Gitterregime zu suchen. Dies wird erreicht, indem das von ihnen synthetisierte Moiré-Kondo-Gitter untersucht und gleichzeitig die Dichte der wandernden Ladungsträger weiter erhöht wird.

„Neueste theoretische Studien haben gezeigt, dass die Kondo-Wechselwirkung in unserem Materialsystem chiral ist, und öffnen damit die Tür zur Realisierung topologischer Kondo-Isolatoren und topologischer Kondo-Halbmetalle“, fügte Mak hinzu. „Wir suchen aktiv nach Transport- und thermodynamischen Signaturen dieser Materiephasen.“

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