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米測MeLab 納米人 2024-09-14

研究背景

摩爾近藤晶格是由具有特定晶格錯位的二維材料形成的，這種結構提供了一個高度可調的研究平臺，可以用于研究Kondo效應和相關量子相變。Kondo晶格模型中，局部磁矩與導電電子的相互作用能夠引發多種量子物質相，包括重費米液體、量子臨界非費米液體金屬和非常規超導體。然而，在摩爾近藤晶格中，盡管已識別出重費米液體相，但磁性相的研究仍然非常有限。

摩爾近藤晶格的研究面臨著幾個關鍵問題。首先，如何在這種系統中準確調節和控制局部磁矩與導電電子的相互作用，以探索不同的量子相變。其次，盡管摩爾結構具有潛在的調節能力，但在實驗中如何有效地實現這種調節，以及如何準確地觀察和描述這些調節下的磁性相變。最后，如何理解和解釋這些觀察到的現象，以及它們如何與傳統的Kondo相圖和量子相變理論相結合，是當前研究的重大挑戰。

為了解決這些問題，康奈爾大學的麥健輝（Kin Fai Mak）教授和單杰教授在“Nature Physics”期刊上發表了題為“Emergence of ferromagnetism at the onset of moiré Kondo breakdown”的最新論文。研究人員進行了系統的實驗研究。通過在MoTe₂/WSe₂摩爾雙層中結合磁輸運和光學研究，科學家們能夠對摩爾近藤晶格進行精細調節和觀察。研究表明，在臨界密度 xc≈0.04 附近，系統經歷了金屬-絕緣體過渡，并且在 Kondo 溫度以下，重費米液體相的出現與鐵磁序的幾乎同時發生相一致。這些現象表明，當密度降低到臨界值以下時，Kondo屏蔽效應被抑制，鐵磁相關性占據主導地位，從而引發了鐵磁Anderson絕緣體的出現。這一發現為在摩爾近藤晶格中實現其他量子相變提供了新的視角和可能性。

研究亮點

（1）實驗首次在摩爾近藤晶格中觀察到密度調節的Kondo崩潰，揭示了MoTe₂/WSe₂摩爾雙層中的磁性相變。研究通過結合磁輸運和光學研究方法，發現了在臨界密度xc≈0.04附近的金屬-絕緣體過渡和重費米液體的出現。

（2）實驗通過調節孔密度并監測磁輸運行為，觀察到在 xc 以上，重費米液體在Kondo溫度以下逐漸出現，且隨著孔密度的增加，Kondo溫度也提高。密度高于xc時，系統表現為重費米液體，且鐵磁相關性顯著增強。

（3）研究還發現，在x=0時，系統為電荷轉移絕緣體，局部磁矩之間的反鐵磁相關性較弱。引入流動孔后，系統出現了鐵磁相關性，這些相關性在密度高達x≈0.1時仍然存在。磁性序僅在接近或低于xc的密度下觀察到，表明鐵磁Anderson絕緣體的出現和Kondo屏蔽效應在臨界密度以下的抑制。

圖文解讀

圖1：一個可調門的摩爾近藤晶格。

圖2. 金屬-絕緣體過渡中的磁輸運。

圖3. 局部磁矩之間的磁性相關性。

圖4. 磁性相圖。

總結展望

本文研究揭示了摩爾近藤晶格中密度調節Kondo崩潰的獨特特性，并展示了在不同孔密度下如何從重費米液體過渡到絕緣體的過程。通過在 MoTe₂/WSe₂摩爾雙層中結合磁輸運和光學研究，發現了在臨界密度xc附近的鐵磁性序和Kondo崩潰的顯著變化。這一發現不僅拓展了我們對摩爾近藤晶格的理解，還提供了一種新的方式來調節和探索量子相變。具體而言，當孔密度在0.04到0.10的范圍內時，系統表現出強烈的鐵磁波動和重費米液體的特性，這表明Kondo屏蔽效應在低密度下被抑制，鐵磁序主導了系統行為。此外，本研究還揭示了Kondo型反鐵磁交換和Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida交互作用在不同孔密度下對鐵磁相關性的影響。這些結果不僅為探索摩爾近藤晶格中的磁性相提供了新思路，還為開發新的量子材料和量子相變的調控方法提供了實驗基礎。未來的研究可以通過提高樣品質量和進一步的理論分析，深化對這些現象的理解。

作者簡介

麥建輝教授，Kin Fai Mak（麥健輝），康奈爾大學物理系教授；2005年本科畢業于香港科技大學；2010年博士畢業于哥倫比亞大學；他的博士后研究經歷包括在哥倫比亞大學和康奈爾大學的納米科學研究所進行研究工作。從2014年至2018年，Mak教授在賓夕法尼亞州立大學物理系擔任助理教授，2018年起，他加入了康奈爾大學的應用與工程物理系，自2019年起擔任教授。他的研究成就獲得了廣泛認可，包括2012年的IUPAP青年科學家獎、2014年的IUPAP量子電子學年輕科學家獎、2015年的聯邦能源部年輕研究獎以及2016年的美國空軍年輕學者獎。專注于光譜學、二維量子材料及其異質結構/Berry curvature效應、二維超導和激子凝聚、磁性等研究。