[論文レビュー] Perfect Coulomb drag in a dipolar excitonic insulator

Phuong X. Nguyen, Liguo Ma+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 11

ひとこと要約

MoSe2/WSe2 双极子励起体の電子層とホール層の間で完全クーロンドラッグを示す。ドライブ電流と等密度で等しく反対のドラッグ電流、約20 Kまで持続し、高い励起子密度で崩壊する。

ABSTRACT

Excitonic insulators (EIs), arising in semiconductors when the electron-hole binding energy exceeds the band gap, are a solid-state prototype for bosonic phases of matter. Unlike the charged excitations that are frozen and unable to transport current, the neutral electron-hole pairs (excitons) are free to move in EIs. However, it is intrinsically difficult to demonstrate exciton transport in bulk EI candidates. The recently emerged dipolar EIs based on Coulomb-coupled atomic double layers open the possibility to realize exciton transport across the insulator because separate electrical contacts can be made to the electron and hole layers. Here we show that the strong interlayer excitonic correlation at equal electron and hole densities in the MoSe2/WSe2 double layers separated by a 2-nm barrier gives rise to perfect Coulomb drag. A charge current in one layer induces an equal but opposite drag current in the other. The drag current ratio remains above 0.9 up to about 20 K for low exciton densities. As exciton density increases above the Mott density, the excitons dissociate into the electron-hole plasma abruptly, and only weak Fermi liquid frictional drag is observed. Our experiment moves a step closer to realizing exciton circuitry and superfluidity.

研究の動機と目的

• 電子層とホール層を別々に接触できる双極性励起体絶縁体における励起子輸送の研究を動機づける。
• 強い層間励起子相関が完全クーロンドラッグを生み出すかを調べる。
• 励起子密度に対するドラッグの依存性を探求し、より高密度での解離の発現を特定する。

提案手法

• 2-nmの障壁で分離されたCoulomb結合型のMoSe2/WSe2二重層構造を用いる。
• 片方の層に電流を印加し、電子とホール密度を等しくした状態で他方の層に誘起されるドラッグ電流を測定する。
• ドラッグ電流比を温度と励起子密度の関数として特徴付ける。
• 励起子支配の輸送から電子-ホールプラズマおよびフェルミ液体ドラッグへの遷移を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子層とホール層の別々の電気接続を持つ双極性励起体絶縁体で、完全クーロンドラッグを達成できるか。
• RQ2 ドラッグ電流比は温度と励起子密度にどう依存するか、励起子解離はいつ発生するか。
• RQ3 モット密度を超える密度で、励起子支配のドラッグに代わる輸送領域は何か。

主な発見

• 強い層間励起子相関は完全クーロンドラッグを生み出し、ドラッグ電流は駆動電流と等しく正反対である。
• 低励起子密度でドラッグ電流比は約0.9を超えたままで、約20 Kまで保持される。
• 励起子密度がモット密度を超えて増加すると、励起子は電子-ホールプラズマに解離し、ドラッグは弱いフェルミ液体摩擦ドラッグとなる。