Electric-field-tuned consecutive topological phase transitions between distinct correlated insulators in moire MoTe2/WSe2 heterobilayer

Titolo

Transizioni di fase topologiche consecutive sintonizzate da campo elettrico tra isolanti correlati distinti in un eterobilayer di MoTe2/WSe2 a reticolo di Moiré.

1. Il Problema

Nella fisica della materia condensata, comprendere le transizioni di fase quantistica tra stati che differiscono sia per rottura di simmetria che per ordine topologico è una sfida fondamentale. Sebbene le transizioni di fase topologiche (TPT) tra stati non interagenti (es. da isolante topologico a isolante di banda) siano ben studiate, le TPT tra stati fortemente correlati rimangono largamente inesplorate sperimentalmente.
In particolare, manca una piattaforma sperimentale che permetta di osservare transizioni sequenziali tra diversi isolanti di Mott, dove la topologia e le correlazioni elettroniche sono intrecciate. L'obiettivo è realizzare e caratterizzare tali transizioni in un sistema controllabile, verificando modelli teorici estesi come il modello di Kane-Mele-Hubbard.

2. Metodologia

Gli autori hanno utilizzato eterobilayer di MoTe2/WSe2 allineati ad angolo, che formano un reticolo di Moiré con un disadattamento reticolare del 7%, generando una densità di Moiré elevata (~5 × 10¹² cm⁻²).

• Dispositivo: Sono stati impiegati dispositivi a Hall bar con doppia porta (top-gate e bottom-gate) in grafene/hBN. Questa configurazione permette di controllare indipendentemente il fattore di riempimento dei portatori ($\nu$) e il campo elettrico verticale ($E$).
• Condizioni di misura: Le misurazioni sono state condotte a metà riempimento della prima banda di valenza di Moiré ($\nu = 1$, corrispondente a un buco per cella unitaria di Moiré).
• Tecniche sperimentali:
  • Trasporto magnetico: Misura della resistenza longitudinale ($R_{xx}$) e di Hall ($R_{xy}$) in funzione del campo magnetico ($B$), della temperatura ($T$) e del campo elettrico ($E$).
  • Dicroismo magnetico circolare (MCD) risolto per strato: Tecnica ottica utilizzata per sondare la polarizzazione di spin e valle in ciascun strato (MoTe2 e WSe2) separatamente, fornendo informazioni dirette sull'ordine magnetico.
  • Misurazioni di comprimibilità: Per determinare l'apertura e la chiusura del gap di carica.

3. Contributi Chiave e Risultati

Lo studio ha mappato una sequenza di transizioni di fase indotte dal campo elettrico a $\nu=1$, rivelando tre stati fondamentali distinti:

1. Isolante di Mott Geometricamente Frustrato (Basso Campo Elettrico):

   • A bassi valori di $E$, le lacune risiedono esclusivamente nello strato di MoTe2, formando un reticolo triangolare.
   • A causa della frustrazione geometrica su un reticolo triangolare, lo stato è un isolante di Mott con interazioni antiferromagnetiche (AFM) ma senza ordine magnetico a lungo raggio a temperature accessibili (comportamento paramagnetico con $\theta < 0$).

2. Isolante di Mott Topologico Quantistico Anomalo (QAH) (Campo Elettrico Intermedio):

   • Superata una prima soglia critica ($E \approx 0.685$ V/nm), avviene un'inversione di banda. Le lacune si distribuiscono su entrambi gli strati, formando un reticolo esagonale (honeycomb).
   • Il sistema transisce in uno stato QAH ferromagnetico (spin polarizzato).
   • Risultato chiave: Questa transizione avviene senza chiusura del gap di carica (transizione di primo ordine debole), come evidenziato dall'assenza di un punto di incrocio unico nelle curve $R_{xx}(T)$ e dalla continuità del gap misurato.

3. Isolante di Mott Antiferromagnetico Coerente in Valle (VC-AFM) (Alto Campo Elettrico):

   • Aumentando ulteriormente il campo elettrico ($E \gtrsim 0.705$ V/nm), il sistema subisce una seconda transizione verso uno stato AFM coerente in valle.
   • Risultato chiave: Questa transizione è continua e accompagnata dalla chiusura del gap di carica in uno stato metallico critico (resistenza $\approx 10$ kΩ indipendente dalla temperatura), seguita dalla riapertura del gap nello stato AFM.
   • Proprietà Magnetiche: A differenza dello stato QAH, lo stato VC-AFM non mostra polarizzazione spontanea di valle (nessun MCD spontaneo), indicando un ordine di spin in-plane coerente tra le valli K e K'.
   • Transizione Metamagnetica: Applicando un campo magnetico esterno, lo stato AFM subisce una transizione a un campo critico $B^*$, dove gli spin si riallineano lungo la direzione perpendicolare, ripristinando una risposta di trasporto di tipo isolante di Chern (QAH).

4. Significato e Implicazioni

• Realizzazione del Modello Esteso: Il sistema MoTe2/WSe2 funge da realizzazione fisica sintonizzabile di un modello esteso di Kane-Mele-Hubbard, permettendo di studiare l'intreccio tra correlazioni elettroniche e topologia in modo intrinseco.
• Nuovi Stati della Materia: La scoperta di un isolante di Mott AFM coerente in valle (VC-AFM) e la sua transizione continua da uno stato QAH rappresentano un progresso fondamentale nella comprensione degli stati correlati topologici.
• Transizioni di Fase Uniche: Lo studio dimostra per la prima volta una transizione di fase AFM-FM puramente indotta da campo elettrico in sistemi di Moiré, un fenomeno mai osservato prima in tali sistemi o in altri materiali.
• Punto Critico Quantistico: L'identificazione di uno stato metallico critico che separa due isolanti topologici distinti offre una piattaforma ideale per studiare la criticità quantistica e le eccitazioni frazionate.

In conclusione, questo lavoro stabilisce il sistema di eterobilayer di Moiré come una piattaforma versatile per esplorare la fisica delle transizioni di fase quantistica dove topologia e correlazioni forti si fondono, aprendo la strada a futuri studi su stati esotici della materia e potenziali applicazioni nell'elettronica quantistica topologica.