[論文レビュー] Anomalous Interlayer Exciton Diffusion in Twist-Angle-Dependent Moiré Potentials of WS$_2$-WSe$_2$ Heterobilayers

Long Yuan, Biyuan Zheng+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2019

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ひとこと要約

この論文は、捻じれ角依存のモアレポテンシャルが WS2-WSe2 ヘテロビオレイヤーにおける層間励起子の局在化と拡散にどのような影響を与えるかを調べ、密度と角度に依存した輸送の異常を明らかにする。

ABSTRACT

The nanoscale periodic potentials introduced by moiré patterns in semiconducting van der Waals (vdW) heterostructures provide a new platform for designing exciton superlattices. To realize these applications, a thorough understanding of the localization and delocalization of interlayer excitons in the moiré potentials is necessary. Here, we investigated interlayer exciton dynamics and transport modulated by the moiré potentials in WS$_2$-WSe$_2$ heterobilayers in time, space, and momentum domains using transient absorption microscopy combined with first-principles calculations. Experimental results verified the theoretical prediction of energetically favorable K-Q interlayer excitons and unraveled exciton-population dynamics that was controlled by the twist-angle-dependent energy difference between the K-Q and K-K excitons. Spatially- and temporally-resolved exciton-population imaging directly visualizes exciton localization by twist-angle-dependent moiré potentials of ~100 meV. Exciton transport deviates significantly from normal diffusion due to the interplay between the moiré potentials and strong many-body interactions, leading to exciton-density- and twist-angle-dependent diffusion length. These results have important implications for designing vdW heterostructures for exciton and spin transport as well as for quantum communication applications.

研究の動機と目的

• WS2-WSe2 ヘテロビオレイヤーにおいて、捻じれ角から生じるモアレポテンシャルが層間励起子をどのように局在化させるかを理解する。
• 過渡吸収顕微鏡を用いて、時間・空間・運動量領域における励起子ダイナミクスを特徴づける。
• 捻じれ角依存の K-Q および K-K 層間励起子間のエネルギー差が、ポピュレーションダイナミクスを支配する様子を決定する。
• モアレポテンシャル下での励起子拡散挙動と、それが通常拡散から逸脱する程度を定量化する。

提案手法

• 過渡吸収顕微鏡と第一原理計算を組み合わせて層間励起子ダイナミクスを研究する。
• エネルギー的に有利な K-Q 層間励起子を同定し、K-K 励起子と比較する。
• モアレポテンシャル (~100 meV) による局在化を観察するため、励起子集団を空間的・時間的に像化する。
• 捻じれ角がエネルギー景観と励起子輸送に与える影響を分析する。
• 拡散長さと輸送レジームを修飾する多体相互作用の役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WS$_2$-WSe$_2$ ヘテロビオレイヤーにおいて、捻じれ角依存のモアレポテンシャルは層間励起子をどのように局在化するか？
• RQ2 K-Q と K-K 層間励起子がポピュレーションダイナミクスと拡散において果たす役割は何か？
• RQ3 モアレポテンシャルと多体相互作用の下で、励起子拡散は通常拡散からどう逸脱するか？
• RQ4 励起子拡散長は励起子密度と捻じれ角にどう依存するか？

主な発見

• 励起子局在化は直接可視化され、約100 meV の捻じれ角依存モアレポテンシャルによって支配される。
• K-Q と K-K 層間励起子間のエネルギー差が励起子母集団ダイナミクスを支配する。
• モアレポテンシャルと強い多体相互作用の相互作用により、励起子輸送は通常の拡散から逸脱する。
• 拡散長は励起子密度と捻じれ角の両方に依存する。
• K-Q 層間励起子がエネルギー的に有利であり、全体の輸送挙動に影響を与える。