[論文レビュー] Hofstadter states and reentrant charge order in a semiconductor moiré lattice

Carlos R. Kometter, Jiachen Yu+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2022

2D Materials and Applications参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、電子密度および磁場によって調整可能な平坦で分散性の高いモアレバンドを有するねじれWSe2/MoSe2ヘテロバイレイヤーにおいて、ホフスタッター状態（チーン絶縁体）と再入性電荷秩序状態の共存および競合を報告している。局所的電子圧縮率測定を用いて、相互作用によって誘発される、互いに貫通するホフスタッター状態と一般化されたウィグナー結晶が観測された。再入性電荷秩序は、複数のバンドをまたがるホール結晶化によって駆動され、半導体モアレ格子におけるチューナブルな量子相の実現が明らかになった。

ABSTRACT

The emergence of moiré materials with flat bands provides a platform to systematically investigate and precisely control correlated electronic phases. Here, we report local electronic compressibility measurements of a twisted WSe$_2$/MoSe$_2$ heterobilayer which reveal a rich phase diagram of interpenetrating Hofstadter states and electron solids. We show that this reflects the presence of both flat and dispersive moiré bands whose relative energies, and therefore occupations, are tuned by density and magnetic field. At low densities, competition between moiré bands leads to a transition from commensurate arrangements of singlets at doubly occupied sites to triplet configurations at high fields. Hofstadter states (i.e., Chern insulators) are generally favored at high densities as dispersive bands are populated, but are suppressed by an intervening region of reentrant charge-ordered states in which holes originating from multiple bands cooperatively crystallize. Our results reveal the key microscopic ingredients that favor distinct correlated ground states in semiconductor moiré systems, and they demonstrate an emergent lattice model system in which both interactions and band dispersion can be experimentally controlled.

研究の動機と目的

• 半導体ヘテロバイレイヤーにおける平坦および分散性モアレバンドの相乗的相互作用と、それらが相関電子状態を安定化する役割を調査すること。
• チューナブルなモアレスーパーラティスにおいて、結晶的（電荷秩序）状態と流体的（ホフスタッター）状態の間の競合を探索すること。
• 磁場およびキャリア密度がモアレバンドのエネルギー的順序をどのように調節し、相転移を誘発するかを特定すること。
• 複数のバンドからのホールが関与する再入性電荷秩序の微視的メカニズムを同定すること。
• 半導体モアレ系が、異なる相関基底状態間の相転移を研究するためのプラットフォームとして確立されること。

提案手法

• ゲート電圧（密度）および磁場の関数として局所的電子圧縮率をマップするために、スキャン単一電子トランジスタ（SET）測定を用いた。
• わずかな格子不整合を有するねじれWSe2/MoSe2ヘテロバイレイヤーを用い、調整可能な平坦および分散性バンドを有する長周期モアレスーパーラティスを生成した。
• dμ/dn（圧縮率）を測定して、ホフスタッター状態や電荷秩序結晶を含む、相関状態を示す不圧縮状態を特定した。
• 不圧縮状態の磁束量子数および充填因子νに依存する性質を分析し、チーン数および準位占有状態を同定した。
• 単粒子ホフスタッター計算と実験的観察を比較し、強い電子相関効果を示す乖離を特定した。
• 密度および磁場による相転移をマッピングし、非単調なバンド再順序化と相互に貫通する量子相の存在を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平坦および分散性モアレバンドが、半導体モアレ格子においてどのように共存・競合し、異なる相関状態を安定化させるのか。
• RQ2 磁場およびキャリア密度が、モアレ準位のエネルギー的順序をどのように調節し、相転移を誘発するのか。
• RQ3 ホフスタッター状態と電荷秩序状態が、1つのモアレ系で共存または貫通可能か。その共存条件は何か。
• RQ4 中程度の磁場で観測された再入性電荷秩序の原因は何か。複数のバンドからのホールがこの状態にどのように寄与するか。
• RQ5 電子相関が、この系における単粒子ホフスタッタースペクトルをどの程度変更するか。

主な発見

• 中程度の磁場および中程度の密度で再入性電荷秩序状態が観測され、平坦および分散性モアレバンドからのホールの集団的結晶化によって形成された。
• 高磁束密度下でチーン数 t = 1, 2, ..., 6 の貫通的ホフスタッター状態が同定され、相互作用によって誘発されるバンド再順序化を示した。
• 高ホールドーピング（ν < -4）で s = -1, -2, -3, -4, -5 の複数の不圧縮状態が観測され、単粒子予測とは著しく乖離していた。
• 圧縮率パターンから、磁場の関数としてギャップが閉じたり再び開いたりする段階的相転移の連鎖が明らかになった。特に ν = -3, -3/2, -4 の近傍で顕著であった。
• 非単調なバンド占有および準位再順序化が観測され、単粒子的期待とは異なり、強い相関効果がホフスタッタースペクトルを再構築していることを示した。
• 密度および磁場によるチューニングが可能な、一般化されたドゥーブルン結晶とチーン絶縁体を含む、競合する相を有する豊富な相図が得られた。