[논문 리뷰] Perfect Coulomb drag in a dipolar excitonic insulator

Phuong X. Nguyen, Liguo Ma외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 26.

Electronic and Structural Properties of Oxides인용 수 11

한 줄 요약

MoSe2/WSe2 이중층의 dipolar 엑시토닉 인슐레이터에서 전자와 구멍 계층 간의 완벽한 쿨롱 드래그를 시연하며, 같은 밀도에서 드라이브 전류와 크기가 같고 방향은 반대인 드래그 전류가 나타나며, 약 20 K까지 지속되고 높은 엑시톤 밀도에서 붕괴된다.

ABSTRACT

Excitonic insulators (EIs), arising in semiconductors when the electron-hole binding energy exceeds the band gap, are a solid-state prototype for bosonic phases of matter. Unlike the charged excitations that are frozen and unable to transport current, the neutral electron-hole pairs (excitons) are free to move in EIs. However, it is intrinsically difficult to demonstrate exciton transport in bulk EI candidates. The recently emerged dipolar EIs based on Coulomb-coupled atomic double layers open the possibility to realize exciton transport across the insulator because separate electrical contacts can be made to the electron and hole layers. Here we show that the strong interlayer excitonic correlation at equal electron and hole densities in the MoSe2/WSe2 double layers separated by a 2-nm barrier gives rise to perfect Coulomb drag. A charge current in one layer induces an equal but opposite drag current in the other. The drag current ratio remains above 0.9 up to about 20 K for low exciton densities. As exciton density increases above the Mott density, the excitons dissociate into the electron-hole plasma abruptly, and only weak Fermi liquid frictional drag is observed. Our experiment moves a step closer to realizing exciton circuitry and superfluidity.

연구 동기 및 목표

• dipolar 엑시토닉 인슐레이터에서 전자와 구멍 계층에 대해 각각 전기적 접속이 가능하도록 엑시톤 운반을 연구하는 동기를 제공한다.
• 강한 계층 간 엑시톤 상관이 완벽한 쿨롱 드래그를 만들어내는지 조사한다.
• 드래그가 엑시톤 밀도에 어떻게 의존하는지 탐구하고 더 높은 밀도에서의 해리 시작점을 식별한다.

제안 방법

• 쿨롱으로 결합된 MoSe2/WSe2 이중층 구조를 2-nm 장벽으로 분리하여 사용한다.
• 한 계층에 전류를 인가하고 동일한 전자 및 구멍 밀도에서 다른 계층에서 유도된 드래그 전류를 측정한다.
• 온도와 엑시톤 밀도에 따른 드래그 전류 비율을 특성화한다.
• 엑시톤 지배 전도에서 전자-구멍 플라즈마로의 전이와 페르미 액체 드래그를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 및 구멍 계층에 각각 전기적 접촉이 가능한 dipolar 엑시토닉 인슐레이터에서 완벽한 쿨롱 드래그를 달성할 수 있는가?
• RQ2 온도와 엑시톤 밀도에 따라 드래그 전류 비율은 어떻게 달라지며, 엑시톤 해리는 언제 발생하는가?
• RQ3 Mott 밀도 이상에서 어떤 전하 전도 체제가 엑시톤 지배 드래그를 대체하는가?

주요 결과

• 강한 계층 간 엑시토닉 상관은 완벽한 쿨롱 드래그를 만들어내며, 드래그 전류는 드라이브 전류와 크기가 같고 방향은 반대이다.
• 저밀도 엑시톤에서 드래그 전류 비율은 약 20 K까지 0.9 이상으로 남아 있다.
• 엑시톤 밀도가 Mott 밀도를 넘어서면 엑시톤은 전자-구멍 플라즈마로 해리되고 드래그는 약한 페르미-액체 마찰 드래그로 바뀐다.