[논문 리뷰] Dielectric catastrophe at the Mott and Wigner transitions in a moiré superlattice

Yanhao Tang, Jie Gu외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 29.

Material Dynamics and Properties인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 외부의 수직 전기장으로 밴드폭을 조절함으로써 MoSe2/WS2 모리 초격자에서 정수 및 분수 채움 조건에서 엑시톤 감지 기법을 사용하여 밴드폭 조절 가능 금속-절연체 전이(MIT)를 입증한다. 수직 전기장을 적용하여 밴드폭을 조절하고, 멀리 떨어진 WSe2 계층의 2s 엑시톤을 통해 유전율 응답을 측정함으로써, MIT에 가까워질수록 엑시톤 스펙트럼 무게가 연속적으로 사라지는 것을 관찰하였으며, 이는 발산하는 유전율 상수 또는 '유전율 붕괴'를 시사하며, 2차원 삼각격자에서 연속적인 상호작용 유도 MIT가 존재함을 뒷받침한다.

ABSTRACT

The metal-insulator transition (MIT) driven by electronic correlations is a fundamental and challenging problem in condensed-matter physics. Particularly, whether such a transition can be continuous remains open. The emergence of semiconducting moiré materials with continuously tunable bandwidth provides an ideal platform to study interaction-driven MITs. Although a bandwidth-tuned MIT at fixed full electron filling of the moiré superlattice has been reported recently, that at fractional filling, which involves translational symmetry breaking of the underlying superlattice, remains elusive. Here, we demonstrate bandwidth-tuned MITs in a MoSe2/WS2 moiré superlattice at both integer and fractional fillings using the exciton sensing technique. The bandwidth is controlled by an out-of-plane electric field. The dielectric response is probed optically with the 2s exciton in a remote WSe2 sensor layer. The exciton spectral weight is negligible for the metallic state, consistent with a large negative dielectric constant. It continuously vanishes when the transition is approached from the insulating side, corresponding to a diverging dielectric constant or a "dielectric catastrophe". Our results support continuous interaction-driven MITs in a two-dimensional triangular lattice and stimulate future explorations of exotic quantum phases, such as quantum spin liquids, in their vicinities.

연구 동기 및 목표

• 밴드폭 조절이 가능한 모리 초격자에서 상호작용 유도 금속-절연체 전이(MIT)를 연구하는 것.
• 이동도 대칭성 붕괴가 발생하는 분수 채움 조건에서의 MIT가 연속적인가를 탐색하는 것.
• 고감도 측정을 위해 먼 거리의 엑시톤 센서를 사용하여 MIT 근처의 유전율 응답을 탐지하는 것.
• MIT에서 유전율 상수가 발산하는가를 판단함으로써 '유전율 붕괴'가 발생하는지 확인하는 것.

제안 방법

• 외부 수직 전기장을 통해 모리 초격자의 밴드폭을 조절하는 것.
• 모리 초격자의 유전율 응답을 광학적으로 측정하기 위해 먼 거리의 WSe2 계층을 2s 엑시톤 센서로 사용하는 것.
• 게이트 전압과 채움 인자에 따른 엑시톤 스펙트럼 무게를 측정하여 유전율 거동를 추적하는 것.
• MIT 근처에서 엑시톤 강도의 변화를 분석하여 유전율 상수의 변화를 추론하는 것.
• 2차원 삼각격자 모델을 사용하여 연속적인 MIT 거동을 해석하는 것.
• 실험 결과를 연속적인 MIT 및 유전율 발산에 대한 이론적 예측과 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모리 초격자에서 분수 채움 조건에서 밴드폭 조절 가능한 금속-절연체 전이를 관찰할 수 있는가?
• RQ2 MIT에서 유전율 응답이 발산(유전율 붕괴)하는가를 통해 연속적인 전이가 이루어지는가?
• RQ3 멀리 떨어진 센서 계층의 엑시톤 스펙트럼 무게는 상호작용이 강한 모리 초격자의 유전율 특성을 어떻게 반영하는가?
• RQ4 유전율 응답에 급격한 변화가 없음을 바탕으로, 모리 초격자에서의 MIT가 연속적인가?
• RQ5 전자 상호작용과 격자 대칭성이 유전율 붕괴를 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 시스템이 절연체 측에서 MIT에 접근함에 따라 엑시톤 스펙트럼 무게가 연속적으로 사라지며, 이는 발산하는 유전율 상수를 시사한다.
• 유전율 붕괴는 정수 및 분수 채움 조건에서 모두 관측되어, 연속적인 상호작용 유도 MIT가 존재함을 뒷받침한다.
• 금속 상태에서는 엑시톤 스펙트럼 무게가 근본적으로 없기 때문에 큰 음의 유전율 상수를 유추할 수 있다.
• 유전율 응답이 불연속성이 없이 부드럽게 변화함으로써 전이가 연속적임을 증명한다.
• 결과는 2차원 삼각격자에서 연속적인 MIT와 관련된 특이한 양자상태(예: 양자 스핀 액체)의 존재를 시사한다.
• 원거리 엑시톤 감지 기법은 높은 감도로 유전율 응답을 성공적으로 탐지하여 미세한 상관 효과를 관측할 수 있었다.