[논문 리뷰] Tunable spin and valley excitations of correlated insulators in $Γ$-valley moiré bands

Benjamin A. Foutty, Jiachen Yu외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 21.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 기울인 이중층 WSe₂의 Γ-밸리 모리 밴드에서 형성된 상관관계가 있는 절연체에서 조절 가능한 스핀 및 밸리 진동을 보여준다. 국소적 및 전반적 압축성 측정을 통해 스핀 폴라라이제이션된 기초 상태와 스핀 폴라론 페시클레어 진동을 규명하고, Γ-밸리와 K-밸리 모리 밴드 사이에서 이완장에 의한 연속적인 금속-절연체 전이가 발생함을 밝혀내어, 최저 에너지 상태의 밸리 특성을 전기적으로 제어할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Moiré superlattices formed from transition metal dichalcogenides (TMDs) have been shown to support a variety of quantum electronic phases that are highly tunable using applied electromagnetic fields. While the valley character of the low-energy states dramatically affects optoelectronic properties in the constituent TMDs, this degree of freedom has yet to be fully explored in moiré systems. Here, we establish twisted double bilayer WSe$_2$ as an experimental platform to study electronic correlations within $Γ$-valley moiré bands. Through a combination of local and global electronic compressibility measurements, we identify charge-ordered phases at multiple integer and fractional moiré band fillings $ν$. By measuring the magnetic field dependence of their energy gaps and the chemical potential upon doping, we reveal spin-polarized ground states with novel spin polaron quasiparticle excitations. In addition, an applied displacement field allows us to realize a new mechanism of metal-insulator transition at $ν= -1$ driven by tuning between $Γ$- and $K$-valley moiré bands. Together, our results demonstrate control over both the spin and valley character of the correlated ground and excited states in this system.

연구 동기 및 목표

• AB-스택된 기울인 이중층 WSe₂의 Γ-밸리 모리 밴드에서 전자 상관관계를 조사하기 위해.
• 이러한 모리 시스템 내 상관관계가 있는 절연상에서 스핀 및 밸리 자유도의 역할을 탐색하기 위해.
• 자기장과 이완장이 기초 상태 및 자극 상태의 스핀 및 밸리 특성에 어떻게 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 전기 제어를 통해 메조스코픽 삼각형 격자 모델에서 새로운 양자상을 공학화할 수 있는 플랫폼을 구축하기 위해.
• 저밀도 TMD 모리 시스템에서 d.c. 센싱 기술을 사용하여 정량적 열역학 측정을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 기울기 각도 2.2° 및 3.1°를 가진 이중 게이트 구조의 기울인 이중층 WSe₂ 헤테로구조를 제작하여 모리 포텐셜과 캐리어 농도를 제어하였다.
• 국소적 및 전반적 전자 압축성 측정을 수행하여 정수 및 분수 모리 농도에서 비압축 상태를 식별하였다.
• doping에 따른 에너지 갭과 화학적 위치의 자기장 의존성을 측정하여 스핀 폴라라이제이션과 페시클레어 진동을 탐구하였다.
• 이완장을 적용하여 Γ-밸리와 K-밸리 모리 밴드의 상대 에너지를 조절하고 절연 갭의 변화를 추적하였다.
• 연속체 모델링을 사용하여 갭의 이완장 의존성을 해석하고, Γ 및 K 밴드 간의 밴드 전환과 연결지었다.
• d.c. 열역학 센싱을 사용하여 저캐리어 농도에서 화학적 위치와 압축성을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울인 WSe₂의 Γ-밸리 모리 밴드에서 스핀 및 밸리 자유도는 기초 상태와 저에너지 진동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 ν = -1 및 ν = -3에서 전하 정렬 절연상에서 에너지 갭과 화학적 위치의 자기장 의존성은 어떠한가?
• RQ3 적용된 이완장은 Γ-밸리 모리 시스템의 밴드 구조와 절연 갭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 최저 에너지 모리 밴드의 밸리 특성을 Γ-밸리와 K-밸리 간에 전기적으로 조절할 수 있는가?
• RQ5 기울기 각도와 밴드 구조의 세부 사항은 갭 크기와 그 자기장 의존성에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• 국소적 및 전반적 압축성 측정을 통해 정수 모리 농도 ν = -1 및 ν = -3에서 전하 정렬 절연상이 확인되었다.
• ν = -1에서 에너지 갭은 이완장이 0인 상태에서 약 30 meV의 최대값을 보였고, |D|가 증가함에 따라 단조롭게 닫혀, |D| ≈ 0.2–0.4 V/nm에서 사라졌다.
• ν = -1 근처에서 화학적 위치의 음의 dμ/dn 기울기는 스핀 폴라라이제이션된 기초 상태와 스핀 폴라론 페시클레어 진동을 나타낸다.
• 넓은 범위의 이완장에서 갭의 연속적인 닫힘은 Γ-밸리에서 K-밸리 지배 모리 밴드로의 전이를 나타내며, K-밴드가 임계 D에서 Γ-밴드를 가로질친다.
• 갭 크기와 이완장 의존성은 기울기 각도에 대해 약한 의존성을 보였으며, 이는 물리학이 모리 수반 격자의 세부 사항보다 Γ 및 K 밸리의 최상단 밴드 에너지의 상대적 위치에 의해 지배됨을 시사한다.
• 결과적으로, 약간의 이완장만으로도 최저 모리 밴드의 밸리 특성을 전기적으로 스위칭할 수 있으며, 이는 밴드 구조와 상관관계가 있는 상태를 조절 가능한 제어를 가능하게 한다.