[論文レビュー] Tunable bilayer Hubbard model physics in twisted WSe2

Yang Xu, Kaifei Kang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

2D Materials and Applications被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、電場と磁場が空孔ドーピングおよび層極性を制御する、ねじれWSe2二層構造におけるチューナブルな二層 Hubbard モデルの物理を示している。モアレ帯の充満度を調整することで、ν=1で励起子絶縁体から電荷移動絶縁体への転移を観測し、ν=2で反強磁性絶縁体への転移を確認し、1<ν<2の領域では層選択的 Mott 絶縁体の証拠を得た。巨大な磁電応答により、相関状態を精密に制御可能である。

ABSTRACT

Moiré materials with flat electronic bands provide a highly controllable quantum system for studies of strong-correlation physics and topology. In particular, angle-aligned heterobilayers of semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) with large band offset realize the single-band Hubbard models. Introduction of a new layer degree of freedom is expected to foster richer interactions, enabling Hund's physics, interlayer exciton condensation and new superconducting pairing mechanisms to name a few. Here, we report competing electronic orders in twisted AB-homobilayer WSe2, which realizes a bilayer Hubbard model in the weak interlayer hopping limit for holes. We characterize the charge order, layer polarization and magnetization of the moiré bilayer, subjected to an out-of-plane electric and magnetic field, by exciton sensing and magneto circular dichroism measurements. By layer-polarizing holes via the electric field, we observe a crossover from an excitonic insulator to a charge-transfer insulator at hole density of $ν$=1 (in unit of moiré density), a transition from a paramagnetic to an antiferromagnetic charge-transfer insulator at $ν$=2, and evidence for a layer-selective Mott insulator at 1&lt;$ν$&lt;2. The unique coupling of charge and spin to external fields also manifests a giant magneto-electric response. Our results establish a new solid-state simulator for problems in strong-correlation physics that are described by bilayer Hubbard models.

研究の動機と目的

• ねじれWSe2ヘテロバイレイヤーで実現されたチューナブルな二層 Hubbard モデルにおける強い相関物理を調査すること。
• 外部場下におけるモアレ二層構造の層極性、電荷秩序、磁性の相乗的相互作用を調査すること。
• ねじれWSe2を二層 Hubbard モデル現象の固体状態シミュレータとして確立すること。
• Hundの物理や二層励起子凝縮のような特異な量子相の出現を調査すること。

提案手法

• 弱い層間 hopping を有するねじれ AB 同質バイレイヤー WSe2 を用いて、空孔に対する二層 Hubbard モデルを実現する。
• 垂直方向の電場および磁場を用いて、空孔密度および層極性をチューニングする。
• 励起子センシングおよび磁気円二色性 (MCD) を用いて、電荷秩序、層極性、磁化をプローブする。
• モアレ帯の充満度 ν をモアレ密度単位で測定し、相転移をマップする。
• 外部場への電荷およびスピン自由度の結合を示す巨大磁電応答を分析する。
• 空孔密度 ν を 0 から 2 に系統的に変化させ、特徴的な相関絶縁体相を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電場による層極性が、ねじれWSe2における ν=1 で励起子絶縁体から電荷移動絶縁体への転移をどのように駆動するか？
• RQ2 ν=2 でどのような磁性および電子秩序が出現し、ν=1 状態とはどのように異なるか？
• RQ3 1<ν<2 の充満度範囲で層選択的 Mott 絶縁体を安定化できるか、その特徴は何か？
• RQ4 電荷およびスピンが外部電場および磁場にどのように応答し、巨大磁電応答として現れるか？
• RQ5 ねじれWSe2は、二層 Hubbard モデル物理をシミュレートするチューナブルなプラットフォームとして、どの程度有効か？

主な発見

• ν=1 で電場により励起子絶縁体から電荷移動絶縁体へのクロスオーバーが誘発され、励起子応答および層極性の変化によって確認された。
• ν=2 で反強磁性電荷移動絶縁体への転移が観測され、磁気円二色性測定で明確なシグナルを示した。
• 1<ν<2 の領域では、層分解された電子的挙動の差が示され、層選択的 Mott 絶縁体の証拠が得られた。
• 巨大な磁電応答が観測され、電荷およびスピン自由度と外部場との強い結合が示された。
• ν=1 および ν=2 を超えて、電場および磁場による制御が可能なチューナブルな電子相が観測された。
• ねじれWSe2は、制御可能な相互作用と出現する量子相を有する、強固な固体状態シミュレータとしての二層 Hubbard モデル物理を実現した。