[論文レビュー] Valley-coherent quantum anomalous Hall state in AB-stacked MoTe2/WSe2 bilayers

Zui Tao, Bowen Shen+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2022

Graphene research and applications被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、ABスタック型MoTe2/WSe2モアレバイレイヤーにおいて、谷極性ではなく、層間を貫く谷状態のコherentな重ね合わせから生じる、新しい谷coherent量子異常ホール（QAH）状態が同定された。光学分光法により、各層でヘリシティが逆である自発的スピンおよび谷極性が確認され、ねじれたスピン構造と、従来の谷極性とは異なるQAH効果の新規メカニズムが示唆された。

ABSTRACT

Moiré materials provide fertile ground for the correlated and topological quantum phenomena. Among them, the quantum anomalous Hall (QAH) effect, in which the Hall resistance is quantized even under zero magnetic field, is a direct manifestation of the intrinsic topological properties of a material and an appealing attribute for low-power electronics applications. The QAH effect has been observed in both graphene and transition metal dichalcogenide (TMD) moiré materials. It is thought to arise from the interaction-driven valley polarization of the narrow moiré bands. Here, we show surprisingly that the newly discovered QAH state in AB-stacked MoTe2/WSe2 moiré bilayers is not valley-polarized but valley-coherent. The layer- and helicity-resolved optical spectroscopy measurement reveals that the QAH ground state possesses spontaneous spin (valley) polarization aligned (anti-aligned) in two TMD layers. In addition, saturation of the out-of-plane spin polarization in both layers occurs only under high magnetic fields, supporting a canted spin texture. Our results call for a new mechanism for the QAH effect and highlight the potential of TMD moiré materials with strong electronic correlations and spin-orbit interactions for exotic topological states.

研究の動機と目的

• ABスタック型MoTe2/WSe2モアレヘテロ構造における量子異常ホール効果の起源を調査すること。
• QAH状態が谷極性に起因するのか、それともより複雑なコherent状態に起因するのかを特定すること。
• 層およびヘリシティ分解能を有する光学分光法を用いて、QAH基底状態のスピンおよび谷の構造を調べること。
• 強い電子相関およびスピン軌道相互作用が、特異なトポロジカル相を安定化させる役割を理解すること。
• 遷移金属ジカルコイドのモアレ材料が、新たな相関およびトポロジカル量子状態を実現可能かどうかを検討すること。

提案手法

• モアレバイレイヤー内のスピンおよび谷極性を調べるための層およびヘリシティ分解能を有する光学分光法。
• スピンテクスチャを評価するため、外部磁場を変化させた状態での垂直方向スピン極性の測定。
• 外部磁場を一切施さない状態での量子異常ホール状態の分析。
• 電子バンドを調整可能な、設計されたモアレスーパーラティスを有するABスタック型MoTe2/WSe2ヘテロ構造の使用。
• 実験データと相関トポロジカル状態の理論モデルの比較。
• 偏光依存光学応答を通じたQAH基底状態の性質の同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ABスタック型MoTe2/WSe2バイレイヤーにおける量子異常ホール効果の背後にあるメカニズムは何か？
• RQ2 この系におけるQAH状態は、谷極性によって駆動されているのか、それとも谷状態のコherentな重ね合わせによって駆動されているのか？
• RQ3 QAH基底状態において、スピンおよび谷の自由度はどのように結合しているか？
• RQ4 ねじれたスピン構造の存在を裏付ける証拠は何か？
• RQ5 電子相関およびスピン軌道相互作用は、QAH状態の形成にどのように寄与しているか？

主な発見

• ABスタック型MoTe2/WSe2バイレイヤーにおける量子異常ホール状態は、谷極性ではなく、谷coherentであるため、QAH効果の新たなメカニズムを示唆している。
• 光学分光法により、2つのTMD層でヘリシティが逆である自発的スピンおよび谷極性が観測された。
• 垂直方向スピン極性が高磁場下でのみ飽和することから、ねじれたスピン構造であると示唆された。
• QAH基底状態は、単一の谷に電子が集積するのではなく、谷状態のコherentな重ね合わせを示している。
• 本結果は、モアレ系においてQAH効果が単に谷極性に起因するとの従来の理解に挑戦するものである。
• 強い電子相関およびスピン軌道相互作用は、この特異なトポロジカル状態を安定化させる上で不可欠である。