[논문 리뷰] Dipolar excitonic insulator in a moire lattice

Jie Gu, Liguo Ma외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 14.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 WSe2 단층과 WSe2/WS2 이중층 헤테로구조로 이루어진 모어 스케일에서 형성된 모어 초정련에서 이중극자 엑시톤적 절연체를 입증한다. 여기서 전공자가 단층으로 이동하면서 쿨롱 상호작용으로 인해 강하게 결합된 이중층 엑시톤이 형성된다. 광학 스펙트로스코피와 커패시턴스 측정을 통해 약 15 meV의 전하 갭을 규명하고 국소 자화모멘트가 나타나는 현상을 관찰함으로써, 고체계에서 상호작용하는 보존 양자상태를 실현할 수 있는 플랫폼을 확립한다.

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) moire materials provide a new solid-state platform with unprecedented controllability for studies of correlated quantum phenomena. To date, experimental studies have focused on the correlated electronic states; the correlated bosonic states in moire materials have remained practically unexplored. Here, we report a correlated dipolar excitonic insulator, a charge insulating state driven by the formation of excitons, in a Coulomb-coupled WSe2 monolayer and WSe2/WS2 moire bilayer at total hole doping density equal to the moire density. The system is a Mott insulator when all the holes reside in the moire layer. Under an out-of-plane electric field, the holes can be continuously transferred to the WSe2 monolayer, but remain strongly bound to the empty moire sites; they form an interlayer exciton fluid in the moire superlattice under a particle-hole transformation. We identify the phase space and determine the charge gap energy of the excitonic insulating state by optical spectroscopy and capacitance measurements, respectively. We further observe the emergence of local magnetic moments in the WSe2 monolayer induced by the strong interlayer Coulomb correlation. Our demonstration of an exciton fluid in a lattice paves the path for realizing correlated bosonic quantum phenomena described by the Bose-Hubbard model in a solid-state system.

연구 동기 및 목표

• 모어 물질에서 상호작용하는 보존 상태를 탐색하기 위해, 이는 잠재적인 양자현상에도 불구하고 아직 거의 탐색되지 않은 분야이다.
• 제어된 전공 도핑과 전기장 조절 조건 하에서 모어 초정련에서 이중층 엑시톤 형성 메커니즘을 조사하기 위해.
• 이중극자 상호작용과 강한 쿨롱 상호작용에 의해 유도된 엑시톤적 절연 상태를 규명하고 특성화하기 위해.
• WSe2 단층에서 이중층 상호작용에 의해 유도된 국소 자화모멘트의 발생을 탐구하기 위해.
• 보즈-후버드 모델로 묘사되는 상호작용 양자상태를 실현하기 위한 고체계 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 쿨롱 상호작용이 강한 WSe2 단층과 WSe2/WS2 모어 이중층 헤테로구조를 활용하여 전공 밀도를 조절할 수 있는 모어 초정련을 설계한다.
• 수직 방향 전기장을 적용하여 모어 층에서 WSe2 단층으로 전공자를 이동시켜 이중층 엑시톤 형성에 대한 제어를 가능하게 한다.
• 광학 스펙트로스코피를 활용하여 전자 구조를 탐사하고 엑시톤적 절연 상태의 전하 갭을 규명한다.
• 커패시턴스 측정을 통해 전하 갭 에너지를 독립적으로 측정하여 상태의 절연 성격을 확인한다.
• 입자-홀 변환을 통한 분석을 통해 전공도핑된 모트 절연체를 모어 초정련 내 엑시톤 유체로 매핑한다.
• 강한 이중층 쿨롱 상호작용에 기인한 상관 효과를 통해 WSe2 단층 내 국소 자화모멘트를 조사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 전이 금속 디 chalcogenide 헤테로구조로 이루어진 모어 초정련에서 이중극자 엑시톤적 절연체가 안정화될 수 있는가?
• RQ2 엑시톤적 절연 상태에서 전하 갭과 전자 구조의 성격은 무엇인가?
• RQ3 이중층 쿨롱 상호작용은 WSe2 단층에서 국소 자화모멘트의 발생에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 시스템이 보즈-후버드 모델로 묘사되는 상호작용 보존 양자상태를 실현하기 위해 어느 정도 조절 가능할 수 있는가?
• RQ5 모어 초정련의 잠재적 위치는 이중층 엑시톤의 안정화와 절연 거동의 가능성을 어떻게 촉진하는가?

주요 결과

• 커패시턴스 측정을 통해 엑시톤적 절연 상태에서 약 15 meV의 전하 갭이 규명되었다.
• 광학 스펙트로스코피는 전하 갭이 존재하는 절연 상태와 뚜렷한 엑시톤적 특성을 보이며, 이중층 엑시톤 형성의 근거를 뒷받침한다.
• 전공자가 모어 층에 고립되어 있을 경우 시스템은 모트 절연체 상태를 나타내며, 전기장에 의해 전공자가 이동함에 따라 엑시톤적 절연체 상태로 전이된다.
• 강한 이중층 쿨롱 상호작용으로 인해 WSe2 단층에서 국소 자화모멘트가 발생하여 복잡한 다체 효과를 나타낸다.
• 시스템은 모어 초정련 내에서 상호작용하는 엑시톤 유체를 실현하며, 보즈-후버드 물리학을 연구할 수 있는 고체계 플랫폼을 제공한다.
• 이중극자 엑시톤적 절연체의 상자영역이 실험적으로 매핑되었으며, 전기장과 전공 도핑을 통한 조절 가능성이 드러났다.