[논문 리뷰] Tunable bilayer Hubbard model physics in twisted WSe2

Yang Xu, Kaifei Kang외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 04.

2D Materials and Applications인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 전기장과 자장이 정공 도핑과 계층 극성도를 제어하는 기울일 수 있는 Twisted WSe2 이중층에서 조정 가능한 이중층 Hubbard 모형 물리학을 보여준다. 모리 밴드 충만도를 조절함으로써 저자들은 ν=1에서 진동자절연체에서 전하이동 절연체로의 전이, ν=2에서 반자성 절연체로의 전이, 그리고 1<ν<2 영역에서 계층 선택적 Mott 절연체에 대한 증거를 관찰한다. 이는 거대한 전자기 응답을 통해 상호작용 상태를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Moiré materials with flat electronic bands provide a highly controllable quantum system for studies of strong-correlation physics and topology. In particular, angle-aligned heterobilayers of semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) with large band offset realize the single-band Hubbard models. Introduction of a new layer degree of freedom is expected to foster richer interactions, enabling Hund's physics, interlayer exciton condensation and new superconducting pairing mechanisms to name a few. Here, we report competing electronic orders in twisted AB-homobilayer WSe2, which realizes a bilayer Hubbard model in the weak interlayer hopping limit for holes. We characterize the charge order, layer polarization and magnetization of the moiré bilayer, subjected to an out-of-plane electric and magnetic field, by exciton sensing and magneto circular dichroism measurements. By layer-polarizing holes via the electric field, we observe a crossover from an excitonic insulator to a charge-transfer insulator at hole density of $ν$=1 (in unit of moiré density), a transition from a paramagnetic to an antiferromagnetic charge-transfer insulator at $ν$=2, and evidence for a layer-selective Mott insulator at 1&lt;$ν$&lt;2. The unique coupling of charge and spin to external fields also manifests a giant magneto-electric response. Our results establish a new solid-state simulator for problems in strong-correlation physics that are described by bilayer Hubbard models.

연구 동기 및 목표

• 기울일 수 있는 이중층 Hubbard 모형이 실현된 Twisted WSe2 이중층에서 강한 상관관계 물리학을 탐구하기 위해.
• 외부 필드 하에서 모리 이중층의 계층 극성도, 전하 질서, 자성의 상호작용을 조사하기 위해.
• Twisted WSe2를 이중층 Hubbard 모형 현상의 고체 상태 시뮬레이터로 확립하기 위해.
• Hund의 물리학과 이중층 진동자 응집과 같은 이상한 양자상의 발생을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 약한 이중층 터널링을 가진 Twisted AB-동질이중층 WSe2를 사용하여 정공을 위한 이중층 Hubbard 모형을 실현하기 위해.
• 수직 방향 전기장과 자장을 적용하여 정공 밀도와 계층 극성도를 조절하기 위해.
• 진동자 감지와 자기원형 편광 분석(MCD)을 활용하여 전하 질서, 계층 극성도, 자화를 탐지하기 위해.
• 모리 밴드 충만도 ν를 모리 밀도 단위로 측정하여 상전이를 매핑하기 위해.
• 외부 필드에 대한 전하 및 스핀 자유도 간의 연결을 설명하기 위해 거대한 전자기 응답을 분석하기 위해.
• 정공 밀도 ν를 0에서 2로 체계적으로 변화시켜 상호작용 절연상의 고유한 특징을 식별하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Twisted WSe2에서 전기장에 의한 계층 극성도 조절이 ν=1에서 진동자 절연체에서 전하이동 절연체로의 전이를 어떻게 이끌어내는가?
• RQ2 ν=2에서 어떤 자성 및 전자 질서가 나타나며, 이는 ν=1 상태와 어떻게 다를까?
• RQ3 1<ν<2 충만도 범위에서 계층 선택적 Mott 절연체를 안정화시킬 수 있으며, 그 특징은 무엇인가?
• RQ4 전하 및 스핀이 외부 전기장과 자장에 어떻게 연결되어 거대한 전자기 응답 형태로 나타나는가?
• RQ5 Twisted WSe2는 이중층 Hubbard 모형 물리학을 시뮬레이션하기 위한 조절 가능한 플랫폼으로 얼마나 잘 기능할 수 있는가?

주요 결과

• ν=1에서 전기장이 진동자 절연체에서 전하이동 절연체로의 전이를 유도하며, 이는 진동자 반응과 계층 극성도의 변화로 확인된다.
• ν=2에서 반자성 전하이동 절연체로의 전이가 관찰되며, 자기원형 편광 분석 측정에서 명확한 신호를 보인다.
• 1<ν<2 영역에서 계층 선택적 Mott 절연체에 대한 증거가 발견되었으며, 이는 별개의 계층 해상도 전자 행동으로 나타난다.
• 거대한 전자기 응답이 관찰되어 전하/스핀 자유도와 외부 필드 간의 강한 결합을 보여준다.
• 시스템은 ν=1과 ν=2를 넘어서 조절 가능한 전자상태를 나타내며, 전기장과 자장을 통한 상호작용 상태 제어가 가능하다.
• Twisted WSe2는 상호작용 제어 가능성과 기대되는 양자상의 기원을 고려할 때, 이중층 Hubbard 모형 물리학에 대한 견고한 고체 상태 시뮬레이터로 기능한다.