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研究背景

Moiré材料為探索強關聯電子現象提供了一個高度可調的平臺。由于莫爾超晶格誘導的平坦電子能帶，出現了一系列相關的絕緣、磁性和超導態。特別地，在半充滿莫爾帶的半導體莫爾材料中實現了具有局域磁矩的莫特絕緣體。強的電子相互作用打開了一個具有完全填充的哈伯德帶的Mott帶隙。通過自旋交換相互作用耦合到流動傳導電子的局域磁矩矩陣Kondo晶格是強關聯量子物質的原型。

然而，Kondo晶格的實現仍存在以下問題：

1、Kondo晶格的實現需要進一步探究

Kondo晶格是強相關量子物質的一個原型。通過交換作用將流動電子耦合到局域矩格子中被認為是實現Kondo晶格的一種途徑。

2、Kondo晶格的物理研究存在極大挑戰

通常，Kondo晶格在含有鑭系元素或錒系元素的金屬間化合物中實現。這些材料中復雜的電子結構和有限的電子密度和交換相互作用的可調性給研究近藤晶格物理帶來了相當大的挑戰。

有鑒于此，康奈爾大學單杰/麥健輝夫婦等人報道了在AB堆垛的MoTe₂/WSe₂疊層中合成Kondo晶格的實現，其中MoTe₂層被調諧到Mott絕緣狀態，支持局部矩的三角形moiré晶格，WSe₂層中摻雜了流動導電載子。作者在Kondo溫度以下觀察到具有大費米面的重費米子。還觀察到外部磁場對重費米子的破壞，費米表面尺寸和準粒子質量突然下降。進一步通過流動載流子密度或Kondo相互作用，廣泛且連續地展示了可調控的Kondo溫度。該研究打開了在基于半導體moiré材料的單器件中原位獲得具有奇異量子臨界Kondo晶格相圖的可能性。

技術方案：

1、實現了Moiré Kondo 晶格

作者在AB-堆疊(60°對齊)MoTe₂/WSe₂雙分子層中通過空穴摻雜實現moiré Kondo晶格，并證實了MoTe₂層中的空穴可以通過相互作用進行局部化，而WSe₂層中的空穴則保持流動。

２、確定了Moiré Kondo 晶格區域

作者進行了磁輸運和光學光譜測量，以確定近藤晶格區域，實驗結果表明了費米液體行為以及WSe₂的色散帶和W點的弱moiré勢。

３、證實了重費米子的出現與磁破壞

作者展示了不同區域在零磁場下電阻的溫度依賴性，表明在區域II中出現了重費米子，通過測量霍爾電阻R_xy表明MoTe₂層的局部矩與WSe₂層的傳導孔雜化形成大孔費米表面。當施加高于B_c的磁場時，費米曲面縮小。

４、演示了門可調諧相干Kondo效應

作者演示了連續門調諧的Kondo效應，表明Kondo溫度可以通過摻雜和電場進行廣泛的調節。

技術優勢：

1、實現了moiré Kondo晶格

作者證明了在AB-堆疊(60°對齊)MoTe₂/WSe₂雙分子層中通過空穴摻雜實現moiré Kondo晶格。

2、廣泛且連續地展示了可調控的Kondo溫度

作者通過流動載流子密度或Kondo相互作用，展示了可調控的Kondo溫度。

3、實現了高度可調的Kondo效應

本工作的研究顯示了一種高度可調的近藤效應，它為研究門控制的近藤破壞轉變提供了機會，它為研究門控制的近藤破壞轉變提供了機會。

技術細節

Moiré Kondo 晶格

實驗證明了在AB-堆疊(60°對齊)MoTe₂/WSe₂雙分子層中通過空穴摻雜實現moiré Kondo晶格。這些雙分子層形成了一個三角形的moiré晶格，其周期約為5 nm，對應的moiré密度為nm≈5 × 10¹² cm^?2，這是MoTe₂和WSe₂晶格之間7%不匹配的結果。理論計算和實驗結果證實了MoTe₂層中的空穴可以通過相互作用進行局部化，而WSe₂層中的空穴則保持流動。

圖  AB-堆疊MoTe₂/WSe₂中的Moiré Kondo晶格

Moiré Kondo 晶格區域

作者進行了磁輸運和光學光譜測量，以確定Kondo晶格區域。利用平行板電容模型從柵極電壓確定摻雜密度和電場，并通過量子振蕩測量獨立校準摻雜密度。量子振蕩(條紋)可以在相圖的許多區域觀察到，表明了費米液體行為。從量子振蕩的溫度依賴性來確定WSe₂的準粒子質量。在13.6 T時，三個區域的值都在0.5m₀左右(m₀表示電子質量)，略大于單層WSe₂的空穴質量(約0.45m₀)，表明了WSe₂的色散帶和W點的弱moiré勢。MoTe₂中同時存在一個相當大的Mott隙，它支持局部矩的三角形晶格和區域II中WSe₂中的流動洞，為近道晶格提供了關鍵成分。

圖  靜電相圖

重費米子的出現與磁破壞

接下來要確定是否會出現重費米子液體。作者展示了不同區域在零磁場下電阻的溫度依賴性。使用R_xx=R₀+AT²擬合相關性， A^0.5與費米-液體理論中的準粒子質量成線性比例。A^0.5的摻雜依賴性顯示區域II的值比區域III的值大了不止一個數量級，當x從0.35減小到0.1時，增強比進一步從大約10增加到20。較大的增強表明在區域II中出現了重費米子。通過測量霍爾電阻R_xy來測量費米曲面的大小。結果表明，MoTe₂層的局部矩與WSe₂層的傳導孔雜化形成大孔費米表面。結合準粒子質量增強觀測到的這個曲面，支持了Kondo晶格的實現。當施加高于B_c的磁場時，孔洞密度為1+x的大費米曲面縮小為孔洞密度為x的小費米曲面。重費米子的磁破壞可能是一個超磁相變或一個平滑的交叉。

圖  重費米子的出現和Kondo單線態的磁破壞

門可調諧相干Kondo效應

作者演示了連續門調諧的Kondo效應。研究了電阻的溫度依賴性，并在區域II中提取了Kondo溫度T^*和參數A^?0.5，顯示了沿E=0.645 V nm^?1和沿x=0.23的一個切割。Kondo溫度可以通過摻雜和電場進行廣泛的調節。質量增強的反函數A^?0.5在很大程度上遵循預期的T^*。增加摻雜密度有望增強近藤效應，因為有更多的傳導孔來篩選局部矩。這與觀測到的T^*對x的依賴性是一致的。

圖  門可調moiré Kondo物理

總之，當WSe₂層摻雜流動孔，MoTe₂層處于Mott絕緣狀態時，作者在AB-堆疊的MoTe₂/WSe₂ moiré雙分子層中實現了Kondo晶格。還觀察到一種具有大費米表面的重費米子液體。本工作顯示了一種高度可調的Kondo效應。它為研究門控制的近藤破壞轉變提供了機會，例如，通過將Kondo溫度進一步降低到0 k，通過降低高質量器件中的摻雜密度或小扭曲角雙分子層中的相互作用效應。

參考文獻：

Zhao, W., Shen, B., Tao, Z. et al. Gate-tunable heavy fermions in a moiré Kondo lattice. Nature (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-05800-7