[논문 리뷰] Excitonic Mott insulator in a Bose-Fermi-Hubbard system of moiré $ m{WS}_2$/$ m{WSe}_2$ heterobilayer

Beini Gao, D. G. Suárez-Forero외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 19.

2D Materials and Applications참고 문헌 39인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 WS2/WSe2 모리에 헤테로비레이어에서 전자 도핑과 광학적 자극을 독립적으로 조절할 수 있는 보즈-fermi-허버드 시스템을 구현하여 페르미온 및 보스온 인구를 제어함으로써, 보스온 Mott 절연체 상의 관측을 보여준다. 핵심 결과는 고강도 펌프에서의 고체 상태에서의 비가역성에 의해 입증된 보스온 Mott 절연체 상의 관측으로, 이는 광발광 갭과 고강도 펌프에서의 확산 감소로 나타난다.

ABSTRACT

Understanding the Hubbard model is crucial for investigating various quantum many-body states and its fermionic and bosonic versions have been largely realized separately. Recently, transition metal dichalcogenides heterobilayers have emerged as a promising platform for simulating the rich physics of the Hubbard model. In this work, we explore the interplay between fermionic and bosonic populations, using a $ m{WS}_2$/$ m{WSe}_2$ heterobilayer device that hosts this hybrid particle density. We independently tune the fermionic and bosonic populations by electronic doping and optical injection of electron-hole pairs, respectively. This enables us to form strongly interacting excitons that are manifested in a large energy gap in the photoluminescence spectrum. The incompressibility of excitons is further corroborated by measuring exciton diffusion, which remains constant upon increasing pumping intensity, as opposed to the expected behavior of a weakly interacting gas of bosons, suggesting the formation of a bosonic Mott insulator. We explain our observations using a two-band model including phase space filling. Our system provides a controllable approach to the exploration of quantum many-body effects in the generalized Bose-Fermi-Hubbard model.

연구 동기 및 목표

• 2D 전이 금속 디 chalcogenide 헤테로비레이어를 사용하여 일반화된 보즈-페르미-허버드 모델에서 양자 다체 효과를 실현하고 탐색한다.
• 게이트 전압과 광학적 펌프를 통해 페르미온(전자) 및 보스온(엑시톤) 인구를 독립적으로 제어한다.
• 특히 상호작용이 강한 엑시톤의 형성에 의해 발생하는 보스온 Mott 절연체의 형성을 조사한다.
• 광발광 스펙트로스코피와 확산 역학을 통해 엑시톤 상태의 비가역성을 탐구한다.

제안 방법

• 대칭적인 상부 및 하부 게이트를 갖는 이중 게이트식 WS2/WSe2 헤테로비레이어 장치를 사용하여 전자 채움 인자(νe)를 전기적 도핑을 통해 조절한다.
• 펄스 광학적 자극을 사용하여 상층 엑시톤의 생성과 인구 조절을 수행하며, 강도를 보스온 채움의 제어 매개변수로 사용한다.
• 다체 국소화와 비가역성의 징후인 에너지 갭을 감지하기 위해 광발광(PL) 스펙트럼을 측정한다.
• 다양한 펌프 강도에서 PL 강도 포화와 공간적 넓이 증가를 분석하여 엑시톤 확산을 모니터링한다.
• 관측된 비가역성과 에너지 갭 형성에 대해 공간 상태 점령 효과를 포함한 이중 밴드 모델을 적용한다.
• WS2/WSe2의 타입-II 밴드 정렬을 활용하여 모리 수반 격자에 걸쳐 전자-정공 쌍을 형성함으로써 상층 엑시톤을 안정화시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 모리 헤테로구조에서 페르미온 및 보스온 인구를 독립적으로 제어할 수 있는 보즈-페르미-허버드 시스템을 실현할 수 있는가?
• RQ2 강하게 상호작용하는 엑시톤의 형성이 보스온 부문에서 Mott 절연체 상을 유도하는가?
• RQ3 엑시톤의 비가역성은 광발광과 확산 역학에서 어떻게 나타나는가?
• RQ4 공간 상태 점령은 비가역적 엑시톤 상태의 안정화에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 고강도 광학적 펌프에서 광발광 스펙트럼에 큰 에너지 갭이 관측되어 강한 상호작용성과 비가역적 엑시톤 상태의 형성을 시사한다.
• 펌프 강도가 증가함에 따라 엑시톤 확산이 억제되었으며, 이는 약한 상호작용성을 가지는 보스-아인슈타인 응축체의 예상 행동과 대조되며 보스온 Mott 절연체의 출현을 시사한다.
• 엑시톤 채움이 정수 값에 가까워질수록 압축 가능한 엑시톤 기체에서 비가역적 Mott 절연체 상으로의 명백한 전이가 관측되었다.
• 비가역성은 광발광에서 강도 포화를 통해 확인되었으며, 이는 단일 점유 불안정성의 억제와 일치한다.
• 공간 상태 점령 효과를 포함한 이중 밴드 모델은 관측된 에너지 갭과 확산 억제를 성공적으로 설명하였다.
• 이 시스템은 혼합된 페르미온 및 보스온 자유도를 가진 일반화된 보즈-페르미-허버드 모델에서 양자 다체 물리학을 탐색할 수 있는 조절 가능한 플랫폼을 제공한다.