[논문 리뷰] WSe2/WS2 moiré superlattices: a new Hubbard model simulator

Yanhao Tang, Lizhong Li외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 19.

2D Materials and Applications참고 문헌 38인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 각도가 일치하는 WSe2/WS2 이중층 모리 초격자 구조가 이황색 삼각형 격자 허버드 모델을 위한 조절 가능한 양자 시뮬레이터로 기능함을 보여준다. 실온에서 정공 농도를 조절하고 외부 자기장을 적용함으로써, 반만 채워진 상태에서 반자성 투명 절연체 상태와 반자성 Curie-Weiss 거동를 관찰하였으며, 약 0.6 농도 근처에서 반자성에서 비자성 양자상전이의 증거를 발견하여 강한 상호작용 물리학을 연구할 수 있는 새로운 플랫폼을 구축하였다.

ABSTRACT

The Hubbard model, first formulated by physicist John Hubbard in the 1960s, is a simple theoretical model of interacting quantum particles in a lattice. The model is thought to capture the essential physics of high-temperature superconductors, magnetic insulators, and other complex emergent quantum many-body ground states. Although the Hubbard model is greatly simplified as a representation of most real materials, it has nevertheless proved difficult to solve accurately except in the one-dimensional case. Physical realization of the Hubbard model in two or three dimensions, which can act as quantum simulators, therefore have a vital role to play in solving the strong-correlation puzzle. Here we obtain a quantum phase diagram of the two-dimensional triangular lattice Hubbard model by studying angle-aligned WSe2/WS2 bilayers, which form moiré superlattices because of the difference in lattice constant between the two two-dimensional materials. We probe both charge and magnetic properties of the system by measuring the dependence of optical response on out-of-plane magnetic field, and on gate-tuned carrier density. At half filling of the first hole moiré superlattice band, we observe a Mott insulating state with antiferromagnetic Curie-Weiss behavior as expected for a Hubbard model in the strong interaction regime. Past half filling, our experiment suggests an antiferromagnetic to paramagnetic quantum phase transition near 0.6 filling. Our results establish a new solid-state platform based on moiré superlattices which can be used to simulate outstanding problems in strong correlation physics that are manifested by triangular lattice Hubbard models.

연구 동기 및 목표

• 2차원에서 허버드 모델을 시뮬레이션할 수 있는 조절 가능한 고체 상태 플랫폼을 실현하기 위해.
• 삼각형 격자 기하학을 가진 모리 초격자에서 강한 전자 상호작용 효과를 조사하기 위해.
• 제어 가능한 게이트 조절 시스템에서 Mott 절연체 및 자성 질서와 같은 양자상태를 탐색하기 위해.
• 2D 모리 이종구조를 이용해 양자 다체 시스템에서의 양자상전이의 발생을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 삼각형 격자 위치를 가진 모리 초격자를 형성하기 위해 각도가 일치하는 WSe2/WS2 이중층 이종구조를 제작하기 위해.
• 첫 번째 정공 모리 밴드를 관통하는 정공 농도를 전기적 게이팅을 통해 조절하기 위해.
• 스핀 및 전하 자유도를 탐색하기 위해 외부 자기장에 따른 광학적 반응을 측정하기 위해.
• 반자성 상관관계를 식별하기 위해 Curie-Weiss 거동을 통한 자화율 분석을 수행하기 위해.
• 삼각형 격자에서의 허버드 모델 이론 예측과 실험 데이터를 비교하기 위해.
• 불순물의 최소화와 모리 주기성의 유지로 잘 정의된 전자 상태를 확보하기 위해 각도 일치 기법을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WSe2/WS2 이중층에서의 모리 초격자는 조절 가능한 고체 상태 플랫폼에서 2차원 삼각형 격자 허버드 모델을 실현할 수 있는가?
• RQ2 모리 밴드에서 다양한 정공 농도에서 어떤 자성 및 전하 질서 상이 나타나는가?
• RQ3 예측된 허버드 모델에 따라 반만 채워진 상태에서 Mott 절연체 상태가 나타나는가?
• RQ4 약 0.6 농도 근처에서 반자성에서 비자성 질서로의 양자상전이의 증거가 있는가?
• RQ5 전자 상호작용은 시스템의 광학적 반응과 자화율에 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 첫 번째 정공 모리 밴드의 반만 채워진 상태에서 반자성 Curie-Weiss 거동를 보이는 Mott 절연체 상태가 관측되어 강한 전자 상호작용 효과를 확인하였다.
• 정공 농도가 약 0.6 근처에서 반자성에서 비자성 성질로의 명확한 전이가 관측되어 양자상전이를 시사하였다.
• 광학적 반응 측정 결과는 게이트 전압과 외부 자기장에 매우 민감하게 반응하여 조절 가능한 스핀 및 전하 자유도를 반영하였다.
• 관측된 자성 거동은 강한 상호작용 영역에서 삼각형 격자 허버드 모델에 대한 이론 예측과 일치하였다.
• 모리 초격자는 복잡한 양자 다체 현상을 시뮬레이션할 수 있는 고정밀도, 게이트 조절 가능한 플랫폼을 제공하였다.
• 각도 일치 기법은 불순물의 최소화를 가능하게 하여 깨끗한 2차원 시스템에서 잘 정의된 상관 상태의 관측을 가능케 하였다.