[論文レビュー] WSe2/WS2 moiré superlattices: a new Hubbard model simulator

Yanhao Tang, Lizhong Li+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2019

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ひとこと要約

本研究では、角度整合型WSe2/WS2二層モアレスーパーラティスが、二次元三角格子 Hubbard モデルのチューナブル量子シミュレータとして機能することを示している。キャリア密度を調整し、磁場を印加することで、半充満状態では反強磁性 Curie-Weiss 行動を示すモット絶縁状態を観測し、約0.6充満状態付近で反強磁性から順磁性への量子相転移の証拠を得た。これは強い電子相関物理を研究するための新たなプラットフォームを確立する。

ABSTRACT

The Hubbard model, first formulated by physicist John Hubbard in the 1960s, is a simple theoretical model of interacting quantum particles in a lattice. The model is thought to capture the essential physics of high-temperature superconductors, magnetic insulators, and other complex emergent quantum many-body ground states. Although the Hubbard model is greatly simplified as a representation of most real materials, it has nevertheless proved difficult to solve accurately except in the one-dimensional case. Physical realization of the Hubbard model in two or three dimensions, which can act as quantum simulators, therefore have a vital role to play in solving the strong-correlation puzzle. Here we obtain a quantum phase diagram of the two-dimensional triangular lattice Hubbard model by studying angle-aligned WSe2/WS2 bilayers, which form moiré superlattices because of the difference in lattice constant between the two two-dimensional materials. We probe both charge and magnetic properties of the system by measuring the dependence of optical response on out-of-plane magnetic field, and on gate-tuned carrier density. At half filling of the first hole moiré superlattice band, we observe a Mott insulating state with antiferromagnetic Curie-Weiss behavior as expected for a Hubbard model in the strong interaction regime. Past half filling, our experiment suggests an antiferromagnetic to paramagnetic quantum phase transition near 0.6 filling. Our results establish a new solid-state platform based on moiré superlattices which can be used to simulate outstanding problems in strong correlation physics that are manifested by triangular lattice Hubbard models.

研究の動機と目的

• 2次元における Hubbard モデルをシミュレートするチューナブルな固体状プラットフォームを実現すること。
• 三角格子幾何学を持つモアレスーパーラティスにおける強い電子相関効果を調査すること。
• ゲートで制御可能なシステムにおいて、モット絶縁状態や磁性秩序といった量子相を調べること。
• 2次元モアレヘテロ構造を用いて、相関電子系における量子相転移の出現を探索すること。

提案手法

• WSe2/WS2二層ヘテロ構造を角度整合させ、三角格子ポテンシャルを持つモアレスーパーラティスを形成する。
• 静電的ゲーティングを用いて、最初のホールモアレバンドにおけるキャリア密度をチューニングする。
• スピンおよび電荷自由度を調べるために、垂直方向磁場を関数として光学的応答を測定する。
• Curie-Weiss 行動による磁化率の分析を通じて、反強磁性相関を同定する。
• 三角格子 Hubbard モデルの理論的予測と実験データを比較する。
• 角度整合を用いることで不純物を最小限に抑え、モアレ周期性を保ち、明確な電子状態を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WSe2/WS2二層モアレスーパーラティスは、チューナブルで固体状のプラットフォームとして、2次元三角格子 Hubbard モデルを実現できるか？
• RQ2 モアレバンドにおける異なるキャリア充満状態で、どのような磁性および電荷秩序相が出現するか？
• RQ3 予測どおり、半充満状態でモット絶縁状態を示すか？
• RQ4 約0.6充満状態付近で、反強磁性から順磁性への量子相転移の証拠があるか？
• RQ5 電子相関は、系の光学的応答および磁化率にどのように現れるか？

主な発見

• 最初のホールモアレバンドの半充満状態で、反強磁性 Curie-Weiss 行動を示すモット絶縁状態が観測され、強い電子相関効果が確認された。
• キャリア充満状態が約0.6に近づくと、反強磁性的性質から順磁的性質への明確な転移が観測され、量子相転移の兆候が示された。
• 光学的応答測定では、ゲート電圧および垂直方向磁場に強く依存する挙動が観察され、チューナブルなスピンおよび電荷自由度が裏付けられた。
• 観測された磁性挙動は、強いカップリング領域における三角格子 Hubbard モデルの理論的予測と整合的であった。
• モアレスーパーラティスは、複雑な量子多体現象をシミュレートする高精度でゲートでチューニング可能なプラットフォームを提供した。
• 角度整合により不純物が低減され、クリーンで2次元的な系において明確な相関状態が観測可能となった。