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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

研究背景

Moiré材料为探索强关联电子现象提供了一个高度可调的平台。由于莫尔超晶格诱导的平坦电子能带，出现了一系列相关的绝缘、磁性和超导态。特别地，在半充满莫尔带的半导体莫尔材料中实现了具有局域磁矩的莫特绝缘体。强的电子相互作用打开了一个具有完全填充的哈伯德带的Mott带隙。通过自旋交换相互作用耦合到流动传导电子的局域磁矩矩阵Kondo晶格是强关联量子物质的原型。

关键问题

然而，Kondo晶格的实现仍存在以下问题：

1、Kondo晶格的实现需要进一步探究

Kondo晶格是强相关量子物质的一个原型。通过交换作用将流动电子耦合到局域矩格子中被认为是实现Kondo晶格的一种途径。

2、Kondo晶格的物理研究存在极大挑战

通常，Kondo晶格在含有镧系元素或锕系元素的金属间化合物中实现。这些材料中复杂的电子结构和有限的电子密度和交换相互作用的可调性给研究近藤晶格物理带来了相当大的挑战。

新思路

有鉴于此，康奈尔大学单杰/麦健辉夫妇等人报道了在AB堆垛的MoTe₂/WSe₂叠层中合成Kondo晶格的实现，其中MoTe₂层被调谐到Mott绝缘状态，支持局部矩的三角形moiré晶格，WSe₂层中掺杂了流动导电载子。作者在Kondo温度以下观察到具有大费米面的重费米子。还观察到外部磁场对重费米子的破坏，费米表面尺寸和准粒子质量突然下降。进一步通过流动载流子密度或Kondo相互作用，广泛且连续地展示了可调控的Kondo温度。该研究打开了在基于半导体moiré材料的单器件中原位获得具有奇异量子临界Kondo晶格相图的可能性。

技术方案：

1、实现了Moiré Kondo 晶格

作者在AB-堆叠(60°对齐)MoTe₂/WSe₂双分子层中通过空穴掺杂实现moiré Kondo晶格，并证实了MoTe₂层中的空穴可以通过相互作用进行局部化，而WSe₂层中的空穴则保持流动。

２、确定了Moiré Kondo 晶格区域

作者进行了磁输运和光学光谱测量，以确定近藤晶格区域，实验结果表明了费米液体行为以及WSe₂的色散带和W点的弱moiré势。

３、证实了重费米子的出现与磁破坏

作者展示了不同区域在零磁场下电阻的温度依赖性，表明在区域II中出现了重费米子，通过测量霍尔电阻R_xy表明MoTe₂层的局部矩与WSe₂层的传导孔杂化形成大孔费米表面。当施加高于B_c的磁场时，费米曲面缩小。

４、演示了门可调谐相干Kondo效应

作者演示了连续门调谐的Kondo效应，表明Kondo温度可以通过掺杂和电场进行广泛的调节。

技术优势：

1、实现了moiré Kondo晶格

作者证明了在AB-堆叠(60°对齐)MoTe₂/WSe₂双分子层中通过空穴掺杂实现moiré Kondo晶格。

2、广泛且连续地展示了可调控的Kondo温度

作者通过流动载流子密度或Kondo相互作用，展示了可调控的Kondo温度。

3、实现了高度可调的Kondo效应

本工作的研究显示了一种高度可调的近藤效应，它为研究门控制的近藤破坏转变提供了机会，它为研究门控制的近藤破坏转变提供了机会。

技术细节

Moiré Kondo 晶格

实验证明了在AB-堆叠(60°对齐)MoTe₂/WSe₂双分子层中通过空穴掺杂实现moiré Kondo晶格。这些双分子层形成了一个三角形的moiré晶格，其周期约为5 nm，对应的moiré密度为nm≈5 × 10¹² cm⁻²，这是MoTe₂和WSe₂晶格之间7%不匹配的结果。理论计算和实验结果证实了MoTe₂层中的空穴可以通过相互作用进行局部化，而WSe₂层中的空穴则保持流动。

图  AB-堆叠MoTe₂/WSe₂中的Moiré Kondo晶格

Moiré Kondo 晶格区域

作者进行了磁输运和光学光谱测量，以确定Kondo晶格区域。利用平行板电容模型从栅极电压确定掺杂密度和电场，并通过量子振荡测量独立校准掺杂密度。量子振荡(条纹)可以在相图的许多区域观察到，表明了费米液体行为。从量子振荡的温度依赖性来确定WSe₂的准粒子质量。在13.6 T时，三个区域的值都在0.5m₀左右(m₀表示电子质量)，略大于单层WSe₂的空穴质量(约0.45m₀)，表明了WSe₂的色散带和W点的弱moiré势。MoTe₂中同时存在一个相当大的Mott隙，它支持局部矩的三角形晶格和区域II中WSe₂中的流动洞，为近道晶格提供了关键成分。

图  静电相图

重费米子的出现与磁破坏

接下来要确定是否会出现重费米子液体。作者展示了不同区域在零磁场下电阻的温度依赖性。使用R_xx=R₀+AT²拟合相关性， A^0.5与费米-液体理论中的准粒子质量成线性比例。A^0.5的掺杂依赖性显示区域II的值比区域III的值大了不止一个数量级，当x从0.35减小到0.1时，增强比进一步从大约10增加到20。较大的增强表明在区域II中出现了重费米子。通过测量霍尔电阻R_xy来测量费米曲面的大小。结果表明，MoTe₂层的局部矩与WSe₂层的传导孔杂化形成大孔费米表面。结合准粒子质量增强观测到的这个曲面，支持了Kondo晶格的实现。当施加高于B_c的磁场时，孔洞密度为1+x的大费米曲面缩小为孔洞密度为x的小费米曲面。重费米子的磁破坏可能是一个超磁相变或一个平滑的交叉。

图  重费米子的出现和Kondo单线态的磁破坏

门可调谐相干Kondo效应

作者演示了连续门调谐的Kondo效应。研究了电阻的温度依赖性，并在区域II中提取了Kondo温度T^*和参数A^−0.5，显示了沿E=0.645 V nm⁻¹和沿x=0.23的一个切割。Kondo温度可以通过掺杂和电场进行广泛的调节。质量增强的反函数A^−0.5在很大程度上遵循预期的T^*。增加掺杂密度有望增强近藤效应，因为有更多的传导孔来筛选局部矩。这与观测到的T^*对x的依赖性是一致的。

图  门可调moiré Kondo物理

展望

总之，当WSe₂层掺杂流动孔，MoTe₂层处于Mott绝缘状态时，作者在AB-堆叠的MoTe₂/WSe₂ moiré双分子层中实现了Kondo晶格。还观察到一种具有大费米表面的重费米子液体。本工作显示了一种高度可调的Kondo效应。它为研究门控制的近藤破坏转变提供了机会，例如，通过将Kondo温度进一步降低到0 k，通过降低高质量器件中的掺杂密度或小扭曲角双分子层中的相互作用效应。

参考文献：

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

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