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Exciton- and light-induced ferromagnetism from doping a moiré Mott insulator
Physical Review B ( IF 3.2 ) Pub Date : 2024-07-10 , DOI: 10.1103/physrevb.110.l041115 Hui Yang 1 , Ya-Hui Zhang 1
Physical Review B ( IF 3.2 ) Pub Date : 2024-07-10 , DOI: 10.1103/physrevb.110.l041115 Hui Yang 1 , Ya-Hui Zhang 1
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Significant efforts have been dedicated to achieving excitonic insulators. In this paper, we explore a problem of doping excitons into a Mott insulator instead of a band insulator. Specifically, we start with a Mott insulator on a triangular moiré superlattice in a transition metal dichalcogenides layer and inject excitons by either transferring particles to a different layer or optically pumping electrons from the valence to the conduction band. In both cases, the excitons move in the presence of local spin moments inherited from the Mott insulator. When the Heisenberg spin coupling is small, the kinetic energy of the excitons decides the magnetism, akin to Nagaoka ferromagnetism in hole-doped Mott insulators. Through density-matrix renormalization-group calculations, we demonstrate that the spin moments originating from the Mott insulator form antiferromagnetic or ferromagnetic order for the two signs of the exciton hoppings over a broad range of exciton densities. Notably, the optical pump case may result in an antiferromagnetic to ferromagnetic transition with increasing exciton density, indicating a potential mechanism for light-induced ferromagnetism. A similar exciton-induced ferromagnetism could be achieved in a moiré-monolayer system where the monolayer is electron-doped while the moiré Mott insulator is hole-doped. Our works demonstrates a possibility to engineering magnetism through doping neutral excitons.
中文翻译：
掺杂莫尔莫特绝缘体产生的激子和光诱导铁磁性
为了实现激子绝缘体，人们付出了巨大的努力。在本文中，我们探讨了将激子掺杂到莫特绝缘体而不是带状绝缘体中的问题。具体来说，我们从过渡金属二硫化物层中三角形莫尔超晶格上的莫特绝缘体开始，通过将粒子转移到不同的层或将电子从价态光泵浦到导带来注入激子。在这两种情况下，激子都会在继承自莫特绝缘体的局部自旋矩的情况下移动。当海森堡自旋耦合 很小时，激子的动能决定磁性，类似于空穴掺杂莫特绝缘体中的长冈铁磁性。通过密度矩阵重正化群计算，我们证明了源自莫特绝缘体的自旋矩形成 反铁磁或铁磁序，用于在宽范围的激子密度上激子跳跃的两个符号。值得注意的是，随着激子密度的增加，光泵情况可能会导致反铁磁到铁磁的转变，这表明光诱导铁磁性的潜在机制。类似的激子诱导铁磁性可以在莫尔单层系统中实现，其中单层是电子掺杂的，而莫尔莫特绝缘体是空穴掺杂的。我们的工作展示了通过掺杂中性激子来设计磁性的可能性。
更新日期：2024-07-10
中文翻译：
掺杂莫尔莫特绝缘体产生的激子和光诱导铁磁性
为了实现激子绝缘体，人们付出了巨大的努力。在本文中，我们探讨了将激子掺杂到莫特绝缘体而不是带状绝缘体中的问题。具体来说，我们从过渡金属二硫化物层中三角形莫尔超晶格上的莫特绝缘体开始，通过将粒子转移到不同的层或将电子从价态光泵浦到导带来注入激子。在这两种情况下，激子都会在继承自莫特绝缘体的局部自旋矩的情况下移动。当海森堡自旋耦合 很小时，激子的动能决定磁性，类似于空穴掺杂莫特绝缘体中的长冈铁磁性。通过密度矩阵重正化群计算，我们证明了源自莫特绝缘体的自旋矩形成 反铁磁或铁磁序，用于在宽范围的激子密度上激子跳跃的两个符号。值得注意的是，随着激子密度的增加，光泵情况可能会导致反铁磁到铁磁的转变，这表明光诱导铁磁性的潜在机制。类似的激子诱导铁磁性可以在莫尔单层系统中实现，其中单层是电子掺杂的，而莫尔莫特绝缘体是空穴掺杂的。我们的工作展示了通过掺杂中性激子来设计磁性的可能性。
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