[論文レビュー] Tunable spin and valley excitations of correlated insulators in $Γ$-valley moiré bands

Benjamin A. Foutty, Jiachen Yu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ねじれ二重ブリルアン型WSe₂のΓ谷モアレ帯で形成される相関する絶縁体において、スピンおよびバルク自由度を自在に制御可能な励起状態を示した。局所的およびグローバルな圧縮率測定を用いて、スピン極化された基底状態とスピンポラロン準粒子励起状態を同定し、Γ谷およびK谷モアレ帯間で電界による調整によって駆動される連続的な金属-絶縁体転移を明らかにした。これにより、最低エネルギー状態のバルク特性を電気的に制御可能となった。

ABSTRACT

Moiré superlattices formed from transition metal dichalcogenides (TMDs) have been shown to support a variety of quantum electronic phases that are highly tunable using applied electromagnetic fields. While the valley character of the low-energy states dramatically affects optoelectronic properties in the constituent TMDs, this degree of freedom has yet to be fully explored in moiré systems. Here, we establish twisted double bilayer WSe$_2$ as an experimental platform to study electronic correlations within $Γ$-valley moiré bands. Through a combination of local and global electronic compressibility measurements, we identify charge-ordered phases at multiple integer and fractional moiré band fillings $ν$. By measuring the magnetic field dependence of their energy gaps and the chemical potential upon doping, we reveal spin-polarized ground states with novel spin polaron quasiparticle excitations. In addition, an applied displacement field allows us to realize a new mechanism of metal-insulator transition at $ν= -1$ driven by tuning between $Γ$- and $K$-valley moiré bands. Together, our results demonstrate control over both the spin and valley character of the correlated ground and excited states in this system.

研究の動機と目的

• ABスタックのねじれ二重ブリルアン型WSe₂のΓ谷モアレ帯における電子相関を調査すること。
• これらのモアレ系における相関する絶縁相のスピンおよびバルク自由度の役割を明らかにすること。
• 磁場および電界が基底状態および励起状態のスピンおよびバルク特性に与える影響を特定すること。
• 電気的制御によりメソスコピックな三角格子モデルにおける新規量子相を設計する基盤を確立すること。
• d.c.センシング技術を用いて低密度TMDモアレ系における定量的熱力学測定を可能にすること。

提案手法

• ねじれ角2.2°および3.1°の二重ゲート型ねじれ二重ブリルアン型WSe₂ヘテロ構造を形成し、モアレポテンシャルおよびキャリア密度を制御した。
• 局所的およびグローバルな電子的圧縮率測定を実施し、整数および分数モアレ充填状態における不圧縮状態を同定した。
• ドーピングに伴うエネルギー帯ギャップおよび化学ポテンシャルの磁場依存性を測定し、スピン極化および準粒子励起状態を調べた。
• 電界を印加してΓ谷およびK谷モアレ帯の相対的エネルギーを調整し、絶縁ギャップの変化を追跡した。
• 連続体モデルを用いてギャップの電界依存性を解釈し、Γ谷とK谷間のバンドスイッチングと関連づけた。
• d.c.熱力学センシングを用いて、低キャリア密度における化学ポテンシャルおよび圧縮率を定量的に評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれWSe₂のΓ谷モアレ帯におけるスピンおよびバルク自由度は、基底状態および低エネルギー励起状態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ν = -1およびν = -3における電荷秩序絶縁状態のエネルギー帯ギャップおよび化学ポテンシャルの磁場依存性は何か？
• RQ3 印加された電界は、Γ谷モアレ系におけるバンド構造および絶縁ギャップにどのように影響を与えるか？
• RQ4 最低エネルギーのモアレバンドのバルク特性を、Γ谷とK谷の間で電気的にチューニング可能か？
• RQ5 ねじれ角およびバンド構造の詳細は、ギャップサイズおよびその磁場依存性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 局所的およびグローバルな圧縮率測定により、整数モアレ充填状態ν = -1およびν = -3における電荷秩序絶縁相が同定された。
• ν = -1におけるエネルギー帯ギャップは、ゼロ電界で最大約30 meVに達し、|D|が増加するにつれて単調に閉じ、|D| ≈ 0.2–0.4 V/nmで消失した。
• ν = -1近傍で化学ポテンシャルのdμ/dnが負であったことから、スピン極化された基底状態とスピンポラロン準粒子励起状態であることが示された。
• 広い範囲の電界でギャップが連続的に閉じる様子は、Γ谷モアレ帯からK谷モアレ帯が支配的になる遷移を示し、臨界DにおいてKバンドがΓバンドを crosses した。
• ギャップサイズおよび電界依存性はねじれ角に対して弱く依存しており、物理的挙動はモアレスーパーラティスの詳細ではなく、ΓおよびK価電子帯端の相対的エネルギーに支配されていることが示された。
• 結果として、わずかな電界でも最低モアレバンドのバルク特性を電気的に切り替えられ、バンド構造および相関状態を自在に制御可能であることが示された。