[論文レビュー] Excitonic density wave and spin-valley superfluid in bilayer transition metal dichalcogenide

Zhen Bi, Liang Fu|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2019

2D Materials and Applications被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、モアレ半フィルインの2層WSe2における相関した絶縁状態が、フェルミ準位近くのヴァン・ホーフェ・特異性によって強く増幅された間層間電子-正孔対形成に起因する励起子密度波であると提案する。理論は、垂直方向の電場（対破壊）に対して強い感受性を示す原因を説明し、垂直磁場（非対破壊）に対しては弱い応答を示すことも説明する。さらに、スピン・バルク鎖定数に起因する超流動状態を予測し、全光的スピン注入と画像化によって検出可能な長距離スピン輸送を可能にする。

ABSTRACT

Artificial moiré superlattices in 2d van der Waals heterostructure is a new venue for realizing and controlling correlated electronic phenomena. Recently, twisted bilayer WSe$_2$ emerged as a new robust moiré system hosting a correlated insulator at moiré half-filling over a range of twist angle. In this work, we present a theory of this insulating state as an excitonic density wave due to intervalley electron-hole pairing. We show that exciton condensation is strongly enhanced by a van Hove singularity near the Fermi level. Our theory explains the remarkable sensitivity of the insulating gap to the vertical electric field. In contrast, the gap is weakly reduced by a perpendicular magnetic field, with quadratic dependence at low field. The different responses to electric and magnetic field can be understood in terms of pair-breaking versus non-pair-breaking effects in a BCS analog of the system. We further predict superfluid spin transport in this electrical insulator, which can be detected by optical spin injection and spatial-temporal imaging.

研究の動機と目的

• モアレ半フィルインにおけるねじれWSe2二層の大きな、チューナブルな絶縁ギャップの起源を説明すること。これは、従来のモット絶縁体の期待とは相反する。
• 絶縁ギャップが垂直電場（強く減少）に対して強い応答を示すのに対し、垂直磁場（弱く減少）に対しては弱い応答を示すという相反する挙動を理解すること。
• 絶縁状態が、フェルミ準位付近のヴァン・ホーフェ特異性によって強化された間層間電子-正孔対形成によって生じる励起子密度波であることを確立すること。
• スピン・バルク鎖定数に起因する超流動スピン電流が、長距離にわたる相関的スピン輸送を可能にすることを予測すること。
• 光的スピン注入と空間的・時間的画像化を用いた全光的実験的手順を提案することにより、スピン輸送を検出すること。

提案手法

• ねじれAAスタックWSe2二層のモアレバンド構造の低エネルギー有効理論を構築し、スピン・バルク鎖定数と層間トンネルを組み込む。
• 間層間電子-正孔対形成を記述するBCSに類似た平均場理論を用い、化学ポテンシャルと相互作用強度の変化に応じてギャップ方程式を自己無撞撃的に解く。
• 状態密度にヴァン・ホーフェ特異性を組み込み、強化された対形成と大きな絶縁ギャップの説明を行う。
• BCSアナログフレームワークを用いて、外部場に対するギャップ応答を対破壊（電場）および非対破壊（磁場）効果として分析する。
• 励起子オーダーパラメータの位相揺らぎの有効場理論を導出し、スピン波励起モードから超流動速度を求める。
• 円偏光光を用いたスピン注入と円二色性分光法による画像化を組み合わせた全光的実験セットアップを提案し、スピン輸送ダイナミクスの空間的・時間的マッピングを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれWSe2二層の半フィルインにおける大きな、チューナブルな絶縁ギャップの微視的起源は何か？
• RQ2 なぜ絶縁ギャップは垂直電場に対して強く感受性を示すが、垂直磁場に対しては弱い影響を受けるのか？
• RQ3 フェルミ準位付近のヴァン・ホーフェ特異性が、なぜ間層間電子-正孔対形成を強化するのか？
• RQ4 この系における励起子絶縁体相は、スピン・バルク鎖定数に起因して超流動的スピン輸送を支持できるか？
• RQ5 この絶縁体としての系で、相関的スピン輸送を検出するための実験的シグナルは何か？

主な発見

• 半フィルインにおける絶縁状態は、間層間電子-正孔対形成によって生じる励起子密度波であり、近接するヴァン・ホーフェ特異性によってギャップが強く増幅されている。
• 対破壊効果により、垂直電場に対して絶縁ギャップが強く感受性を示し、実験的観測と整合的である。
• 垂直磁場の増加に伴いギャップは二次的に抑制されるが、これは一次的に非対破壊的ゼーマン結合を示している。
• スピン・バルク鎖定数に起因する超流動状態を支持しており、電気的絶縁体であるにもかかわらず、長距離にわたる相関的スピン輸送が可能である。
• 超流動速度は |Δ|^{2/3} に比例すると予測され、有効場理論によりスピン波モードに対して v = √(c₂/c₁)|Δ|^{2/3} が得られる。
• 円偏光光を用いたスピン注入と円二色性画像法を組み合わせた全光的プロトコルを提案し、空間的・時間的スケールでスピン輸送ダイナミクスを検出・マッピング可能である。