[논문 리뷰] Magic continuum in twisted bilayer WSe2

Lei Wang, En-Min Shih외 15명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 26.

2D Materials and Applications참고 문헌 34인용 수 115

한 줄 요약

논문은 비틀린 이중층 WSe2에서 비선형 얽힘(상관) 및 초전도 현상이 4°에서 5.1°의 연속 twist 각도 범위에 걸쳐 나타나며, 변위 필드로 조절 가능하고 모아 레이 격자에서 단일 밴드 허버드-유사 모델과 일치함을 보여준다. half filling에서 모트-유사 절연을 보이고 특정 각도에서 도핑 시 초전도성에 대한 증거가 있다.

ABSTRACT

Emergent quantum phases driven by electronic interactions can manifest in materials with narrowly dispersing, i.e. "flat", energy bands. Recently, flat bands have been realized in a variety of graphene-based heterostructures using the tuning parameters of twist angle, layer stacking and pressure, and resulting in correlated insulator and superconducting states. Here we report the experimental observation of similar correlated phenomena in twisted bilayer tungsten diselenide (tWSe2), a semiconducting transition metal dichalcogenide (TMD). Unlike twisted bilayer graphene where the flat band appears only within a narrow range around a "magic angle", we observe correlated states over a continuum of angles, spanning 4 degree to 5.1 degree. A Mott-like insulator appears at half band filling that can be sensitively tuned with displacement field. Hall measurements supported by ab initio calculations suggest that the strength of the insulator is driven by the density of states at half filling, consistent with a 2D Hubbard model in a regime of moderate interactions. At 5.1 degree twist, we observe evidence of superconductivity upon doping away from half filling, reaching zero resistivity around 3 K. Our results establish twisted bilayer TMDs as a model system to study interaction-driven phenomena in flat bands with dynamically tunable interactions.

연구 동기 및 목표

• 평탄한 밴드에서의 상호작용 주도 상(相) 현상을 twisted graphene 이외의 시스템에서도 탐구하도록, tunable semiconducting moiré 시스템으로서의 twisted bilayer WSe2를 활용한다.
• 다양한 twist 각도 범위가 얽힘 절연체 및 초전도를 지지하는지 여부와, 이러한 상태를 변위 필드가 어떻게 조절하는지 조사한다.
• 전달 특성 관측을 밴드 구조 특징인 상태 밀도(DOS) 및 van Hove 특이점과 연결지어 얽힘 강도를 이해한다.

제안 방법

• tear-and-stack 기술로 twist 각도가 제어된 비틀린 이중층 WSe2 소자를 제작하고, 변위 필드 튜닝을 위한 이중 게이트를 사용한다.
• 저항도(밀도 의존성), 온도, 자기장에 대한 수송 특성을 측정하여 상관 절연 및 초전도 신호를 식별한다.
• 홀 측정 및 고자장 Landau 팬 분석을 통해 밴드 엣지, 완전 충전, van Hove 특이점을 찾아 DOS와의 연계를 확립한다.
• DFT(밀도泛함수 이론) 및 tight-binding 계산을 통해 각도와 변위 필드의 함수에 따른 밴드 구조와 DOS를 매핑한다.
• 평균장 허버드 모델 개념을 적용해 절연 간극과 그 필드 의존성을 해석하고 실험 DOS 추세와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀린 이중층 WSe2가 실험적으로 관찰된 여러 twist 각도에서 half filling에서 얽힘 절연체를 호스팅하는가?
• RQ2 변위 필드가 절연 간극과 금속성 또는 초전도 거동의 출현에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 half filling에서 벗어나 도핑될 때 초전도성이 유도되는가, 그리고 이것이 twist 각도와 필드에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 van Hove 특이점과 DOS가 tWSe2에서 상관 주도 상을 안정화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 관찰된 거동이 삼각형 moiré 격자에서의 단일 밴드 허버드 모델 기대값과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 4°에서 5.1°까지의 연속 twist 각도에서 변위 필드로 조절 가능한 상관 절연체가 half filling에서 지속된다.
• 적어도 하나의 소자에서 23 K 정도의 간극을 갖는 열 활성화 거동을 보이는 절연체로, 모트-유사 전이와 일치한다.
• van Hove 특이점의 위치와 half filling 근처 DOS가 변위 필드에 따라 절연 상태의 강도와 상관 관계를 보인다.
• 5.1° twist에서 half filling에서 벗어나 도핑될 때 초전도성의 증거가 있으며, 일부 영역에서 3 K 정도의 제로 저항을 관찰한다.
• 홀 측정은 충전 변화에 따라 전자형에서 구멍형으로의 단일 저에너지 moiré 하위대밴드를 나타내고, vHS는 변위 필드와 함께 추적된다.
• DFT 및 평균장 모델링은 각도와 필드에 따른 DOS 및 간극의 변화를 질적으로 재현하여 중등 결합 허버드-유사 그림을 지원한다.