[論文レビュー] Perfect Coulomb drag and exciton transport in an excitonic insulator

Ruishi Qi, Andrew Y. Joe+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、MoSe2/hBN/WSe2のエキソニック絶縁体ヘテロ構造の新規光学分光法を用いて、完璧なクーロンドラッグとエキソン輸送を実証し、低温で超流動でないエキソン気体と約15 Kまでのクーロンドラッグを明らかにしている。

ABSTRACT

Strongly coupled two-dimensional electron-hole bilayers can give rise to novel quantum Bosonic states: electrons and holes in electrically isolated layers can pair into interlayer excitons, which can form a Bose-Einstein condensate below a critical temperature at zero magnetic field. This state is predicted to feature perfect Coulomb drag, where a current in one layer must be accompanied by an equal but opposite current in the other, and counterflow superconductivity, where the excitons form a superfluid with zero viscosity. Electron-hole bilayers in the strong coupling limit with an excitonic insulator ground state have been recently achieved in semiconducting transition metal dichalcogenide heterostructures, but direct electrical transport measurements remain challenging. Here we use a novel optical spectroscopy to probe the electrical transport of correlated electron-hole fluids in MoSe2/hBN/WSe2 heterostructures. We observe perfect Coulomb drag in the excitonic insulator phase up to a temperature as high as ~15K. Strongly correlated electron and hole transport is also observed at unbalanced electron and hole densities, although the Coulomb drag is not perfect anymore. Meanwhile, the counterflow resistance of interlayer excitons remains finite. These results indicate the formation of an exciton gas in the excitonic insulator which does not condensate into a superfluid at low temperature. Our work also demonstrates that dynamic optical spectroscopy provides a powerful tool for probing novel exciton transport behavior and possible exciton superfluidity in correlated quantum electron-hole fluids.

研究の動機と目的

• ボース粒子量子状態のプラットフォームとして、強く結合した電子-ホール二層系を探究する動機づけ。
• エキソニック絶縁体における層間エキソンの輸送特性を調査する。
• 2D半導体ヘテロ構造における完璧なクーロンドラッグとカウンターフロー現象を検証する。

提案手法

• MoSe2/hBN/WSe2 ヘテロ構造の電気輸送を探るために新規の光学分光法を用いる。
• 2Dヘテロ構造における強く結合した電子-ホールフルードを作製し、研究する。
• 光学測定を通じてクーロンドラッグと層間エキソン輸送の特徴を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2D電子-ホール二層のエキソニック絶縁体相において、完璧なクーロンドラッグを観測できるか？
• RQ2 MoSe2/hBN/WSe2における層間エキソンの輸送特性は、電子/ホール密度の変化下でどのようになるか？
• RQ3 低温でエキソン気体は超流動へ凝縮するのか、それとも凝縮していない気体のままなのか？
• RQ4 電子とホール密度の不均衡は、クーロンドラッグとカウンターフロ―抵抗にどのように影響するか？

主な発見

• 約15 Kまでのエキソニック絶縁体相において完璧なクーロンドラッグを観測。
• 不均衡密度で見られる強く相関した電子とホールの輸送と非完璧なドラッグ。
• カウンターフロー層間エキソン抵抗は有限のままで、この領域では超流動輸送を示していないことを示している。
• 動的光学分光法は、相関した電子-ホールフルードにおけるエキソン輸送と潜在的な超流動性を効果的に探索する。