[論文レビュー] Moiré superlattice in a MoSe$_2$/hBN/MoSe$_2$ heterostructure: from coherent coupling of inter- and intra-layer excitons to correlated Mott-like states of electrons

Yuya Shimazaki, Ido Schwartz+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2019

2D Materials and Applications参考文献 2被引用数 62

ひとこと要約

論文は MoSe2/hBN/MoSe2 ヘテロ構造をモアレ超格子として示し、ホールトンネルを介した層間・層内励起子のコヒーレント結合が複数のモアレ帯を露呈し、励起子-ポラロン分光が相互作用誘起の不可圧縮性Mott様電子状態を半填充で明らかにする。

ABSTRACT

Two dimensional materials and their heterostructures constitute a promising platform to study correlated electronic states as well as many body physics of excitons. Here, we present experiments that unite these hitherto separate efforts and show how excitons that are dynamically screened by itinerant electrons to form exciton-polarons, can be used as a spectroscopic tool to study interaction-induced incompressible states of electrons. The MoSe$_2$/hBN/MoSe$_2$ heterostructure that we study exhibits a long-period Moiré superlattice as evidenced by coherent-hole tunneling mediated avoided crossings between the intra-layer exciton with three inter-layer exciton resonances separated by $\sim$ 3meV. For electron densities corresponding to half-filling of the lowest Moiré subband, we observe strong layer-paramagnetism demonstrated by an abrupt transfer of all $\sim$ 1500 electrons from one MoSe$_2$ layer to the other upon application of a small perpendicular electric field. Remarkably, the electronic state at half-filling of each MoSe$_2$ layer is resilient towards charge redistribution by the applied electric field, demonstrating an incompressible Mott-like state of electrons. Our experiments demonstrate that optical spectroscopy provides a powerful tool for investigating strongly correlated electron physics in the bulk and pave the way for investigating Bose-Fermi mixtures of degenerate electrons and dipolar excitons.

研究の動機と目的

• van der Waals ヘテロ構造における相関電子状態と励起子多体物理の研究プラットフォームを動機づける。
• 運動性電子によって動的に screen される励起子（励起子ポラロン）が相互作用誘起の不可圧縮状態を探れることを示す。
• モアレ超格子を介したホールトンネルを介して層間励起子と層内励起子のコヒーレント結合を示す。
• 垂直電場と総充填に対する長周期モアレサブバンドを特定し、光学分光を介して層分解電荷配置と負の圧縮性を観察する。

提案手法

• MoSe2/hBN/MoSe2 ヘテロ構造を、MoSe2 層間でコヒーレントホールトンネルを可能にする単層 hBN トンネル障壁と共に作製する。
• 双極ゲートを用いて二層間の電場 Ez と化学ポテンシャル μ を独立に制御する。
• 低温（≈4 K）光学分光（差分反射率 ΔR/R0 およびフォトルミネセンス）を実行し、励起子共鳴をマッピングする。
• 層内 X_top と X_bot および層間 IX 共鳴間の避けるような交差を同定し、モアレ媒介のハイブリダイゼーションを確認する。
• 励起子-ポラロン共鳴（RP/AP）と電子密度依存性を追跡し、層占有と不可圧縮状態を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoSe2/hBN/MoSe2 ヘテロ構造は inter-layer および intra-layer 励起子をコヒーレントに結合させるモアレ超格子をホストできるか。
• RQ2 励起子ポラロン分光は層分解電荷配置をどのように明らかにし、低電子密度で不可圧縮Mott様状態を検出するか。
• RQ3 垂直電場と総充填密度の関数としてモアレサブバンドと層偏光転移の特徴は何か。
• RQ4 最低モアレサブバンドの半填充は層パラメートリック磁性と、強い相関を示す層間電荷移動を生み出すか（1/2,1/2) 構成を伴うか。

主な発見

• 層間励起子共鳴を約3 meVで3つ観測し、層間ホールトンネルによるコヒーレント結合と層内励起子とのモアレ誘起避け交差を示す。
• hBN障壁によって長寿命の層間励起子が可能となる証拠と、間接励起子のための3つのモアレサブバンドの同定。
• 励起子-ポラロン共鳴は電子密度の層分解的な探査手段を提供し、層間電荷移動を介して負の圧縮性を明らかにする。
• 最低モアレサブバンドの半填充（ν ≈ 1/2 per layer）で、垂直場が小さいときに約1500電子の層間転送が急激に生じ、不可圧縮性のMott様状態を示唆する。
• μ に対する X_top および X_bot エネルギー導関数のチェッカーボードパターンは、低密度での層ごとの充填とモアレサブバンドの存在を確認する。
• ν = 1 のとき、ポラロンスペクトルがプラトー様になり、層間の不可圧縮状態が相互に安定化する（1/2,1/2) 構成を示唆する。