[論文レビュー] Dipolar excitonic insulator in a moire lattice

Jie Gu, Liguo Ma+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、WSe2モノレイヤーとWSe2/WS2バイレイヤー異種接合構造からなるモアレスーパーラティスにおいて、ホールがモノレイヤーに転送され、クーロン相関によって強く結合したインターレイヤー励起子を形成する状態として、ダイポール励起子絶縁体の実証がなされた。光学分光法と容量測定を用いて、約15 meVの電荷ギャップを同定し、局所的な磁気モーメントの出現を観測した。これにより、固体系における関連ボソン的量子相を実現する基盤が確立された。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) moire materials provide a new solid-state platform with unprecedented controllability for studies of correlated quantum phenomena. To date, experimental studies have focused on the correlated electronic states; the correlated bosonic states in moire materials have remained practically unexplored. Here, we report a correlated dipolar excitonic insulator, a charge insulating state driven by the formation of excitons, in a Coulomb-coupled WSe2 monolayer and WSe2/WS2 moire bilayer at total hole doping density equal to the moire density. The system is a Mott insulator when all the holes reside in the moire layer. Under an out-of-plane electric field, the holes can be continuously transferred to the WSe2 monolayer, but remain strongly bound to the empty moire sites; they form an interlayer exciton fluid in the moire superlattice under a particle-hole transformation. We identify the phase space and determine the charge gap energy of the excitonic insulating state by optical spectroscopy and capacitance measurements, respectively. We further observe the emergence of local magnetic moments in the WSe2 monolayer induced by the strong interlayer Coulomb correlation. Our demonstration of an exciton fluid in a lattice paves the path for realizing correlated bosonic quantum phenomena described by the Bose-Hubbard model in a solid-state system.

研究の動機と目的

• モアレ材料における関連ボソン的状態の探索。これは、量子現象の可能性は大きいが、これまでほとんど調査がなされていなかった。
• 制御されたホールドーピングと電場チューニングの下で、モアレスーパーラティス内におけるインターレイヤー励起子の形成を調査すること。
• ダイポール相互作用と強いクーロン相関によって駆動される励起子絶縁状態の同定と特性評価。
• WSe2モノレイヤーにおけるインターレイヤー相関に起因する局所的磁気モーメントの出現を調べること。
• ボーズ＝ハッバードモデルで記述される関連量子相を実現する固体系の基盤を確立すること。

提案手法

• クーロン結合したWSe2モノレイヤーとWSe2/WS2モアレバイレイヤー異種接合構造を用い、ホール密度を制御可能なモアレスーパーラティスを設計。
• 垂直方向の電場を印加して、モアレ層からWSe2モノレイヤーへホールを移動させ、インターレイヤー励起子形成の制御を可能にした。
• 光学分光法を用いて電子状態をプローブし、励起子絶縁状態の電荷ギャップを同定した。
• 容量測定を用いて電荷ギャップエネルギーを独立に決定し、状態の絶縁体的性質を確認した。
• 粒子・ホール双対性変換を適用して、ホールドーピングされたモット絶縁体をモアレスーパーラティス内の励起子流体に写像した。
• 強いインターレイヤークーロン相互作用に起因する相関効果を介して、WSe2モノレイヤー内の局所的磁気モーメントを調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元遷移金属ジ chalcogenide 異種接合構造からなるモアレスーパーラティスにおいて、ダイポール励起子絶縁体を安定化させることは可能か？
• RQ2 励起子絶縁相における電荷ギャップおよび電子状態の性質は何か？
• RQ3 インターレイヤークーロン相関は、WSe2モノレイヤーにどのように局所的磁気モーメントを誘発するか？
• RQ4 ボーズ＝ハッバードモデルで記述される関連ボソン的量子状態を実現するために、この系はどの程度チューニング可能か？
• RQ5 モアレスーパーラティスのポテンシャルは、どのようにインターレイヤー励起子の安定化と絶縁的挙動の実現を可能にするか？

主な発見

• 容量測定により、励起子絶縁状態に約15 meVの電荷ギャップが同定された。
• 光学分光法により、ギャップを持つ絶縁状態と明確な励起子的特徴が確認され、インターレイヤー励起子の形成が裏付けられた。
• ホールがモアレ層に閉じ込められた状態ではモット絶縁体的状態を示し、電場によるホール移動に伴い励起子絶縁体に転移した。
• 強いインターレイヤークーロン相関に起因して、WSe2モノレイヤーに局所的磁気モーメントが出現し、複雑な多体効果が示された。
• モアレスーパーラティス内に関連励起子流体が実現され、ボーズ＝ハッバード物理学を研究する固体系の基盤が提供された。
• ダイポール励起子絶縁体の相空間が実験的にマップされ、電場およびホールドーピングによるチューニングが明らかになった。