[論文レビュー] Magic continuum in twisted bilayer WSe2

Lei Wang, En-Min Shih+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2019

2D Materials and Applications参考文献 34被引用数 115

ひとこと要約

本論文は、ねじれ bilayer WSe2 におけるねじれ角の連続体（4°から5.1°）で、変位場によって調整可能な相関絶縛現象と超伝導現象を示し、モアレ格子上の単一帯域ハバード様モデルと整合する。半填充でモット様の絶縛を示し、特定の角度近傍でドーピングによる超伝導の証拠がある。

ABSTRACT

Emergent quantum phases driven by electronic interactions can manifest in materials with narrowly dispersing, i.e. "flat", energy bands. Recently, flat bands have been realized in a variety of graphene-based heterostructures using the tuning parameters of twist angle, layer stacking and pressure, and resulting in correlated insulator and superconducting states. Here we report the experimental observation of similar correlated phenomena in twisted bilayer tungsten diselenide (tWSe2), a semiconducting transition metal dichalcogenide (TMD). Unlike twisted bilayer graphene where the flat band appears only within a narrow range around a "magic angle", we observe correlated states over a continuum of angles, spanning 4 degree to 5.1 degree. A Mott-like insulator appears at half band filling that can be sensitively tuned with displacement field. Hall measurements supported by ab initio calculations suggest that the strength of the insulator is driven by the density of states at half filling, consistent with a 2D Hubbard model in a regime of moderate interactions. At 5.1 degree twist, we observe evidence of superconductivity upon doping away from half filling, reaching zero resistivity around 3 K. Our results establish twisted bilayer TMDs as a model system to study interaction-driven phenomena in flat bands with dynamically tunable interactions.

研究の動機と目的

• Flat bands を超える interaction-driven phases の探究を、ねじれグラフェンを超えたターゲットとして、調整可能な半導体モアレ系としてのねじれ bilayer WSe2 を用いて動機付ける。
• ねじれ角の広範な範囲が相関絶縛体と超伝導を支持するか、そして変位場がこれらの状態をどのように調節するかを調査する。
• 輸送観測を、密度状態密度（DOS）や van Hove 奇異点などのバンド構造特徴と結びつけ、相関の強さを理解する。

提案手法

• ねじれ角を制御した tear-and-stack 法を用いた twisted bilayer WSe2 デバイスの作製と、変位場チューニングのためのデュアルゲートの活用。
• 輸送特性（抵抗率と密度、温度、磁場依存性）を測定し、相関絶縛と超伝導の指標を同定する。
• Hall 測定と高磁場リュードランドファン解析を用い、バンドエッジ、全充填、van Hove 奇異点を特定し、DOS へ結びつける。
• DFT（密度汎関数理論）と tight-binding 計算を実施し、角度と変位場の関数としてのバンド構造と DOS を写像する。
• 平均場ハバードモデルの概念を適用して絶縛ギャップと場依存性を解釈し、実験 DOS の傾向と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれ bilayer WSe2 は、実験的に観測される範囲のねじれ角において半填充で相関絶縛体をホストするか。
• RQ2 変位場は絶縛ギャップと金属的または超伝導的挙動の出現にどのように影響するか。
• RQ3 半填充からのドーピングによって超伝導が誘発されるか、ねじれ角と場にどのように依存するか。
• RQ4 van Hove 奇異点と DOS の役割は、tWSe2 における相関駆動相を安定化する上でどうか。
• RQ5 観測された挙動は、三角モアレ格子上の単一帯域ハバードモデルの期待とどのように比較されるか。

主な発見

• 4°から5.1°の連続的なねじれ角領域においても、変位場によって変調可能な相関絶縛体が半填充で持続する。
• 少なくとも1つのデバイスで約23 Kのギャップを伴う熱活性化挙動を示し、モット様遷移と一致する。
• van Hove 奇異点の位置と半填充近傘の DOS は、変位場の変化に伴う絶縛状態の強さと相関する。
• 5.1°のねじれでは、半填充からのドーピングによる超伝導の証拠があり、いくつかの領域で0 Ωの抵抗が約3 K付近で観測される。
• Hall 測定は、充填度が変化するにつれて電子様から反電子様のトランジションを伴う単一低エネルギーモアレ副帯を示し、vHS は変位場とともに追従する。
• DFTと平均場モデリングは、角度と場の関数として DOS とギャップの進化を定性的に再現し、中等結合のハバード様像を支持する。