[論文レビュー] Dielectric catastrophe at the Mott and Wigner transitions in a moiré superlattice

Yanhao Tang, Jie Gu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2022

Material Dynamics and Properties被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、励起子センシングを用いて、MoSe2/WS2モアレスーパーラティスにおける整数および分数量子数の状況下で、帯域幅を調整した金属絶縁体転移（MIT）を示した。外部の垂直方向電場を用いて帯域幅を調整し、遠く離れたWSe2層内の2s励起子を用いて誘電応答をプローブすることで、MITに近づくにつれて励起子スペクトル重みが連続的に消失するのを観測した。これは、誘電定数の発散（すなわち「誘電体の崩壊」）を示し、2次元の三角格子における連続的で相互作用駆動のMITを支持するものである。

ABSTRACT

The metal-insulator transition (MIT) driven by electronic correlations is a fundamental and challenging problem in condensed-matter physics. Particularly, whether such a transition can be continuous remains open. The emergence of semiconducting moiré materials with continuously tunable bandwidth provides an ideal platform to study interaction-driven MITs. Although a bandwidth-tuned MIT at fixed full electron filling of the moiré superlattice has been reported recently, that at fractional filling, which involves translational symmetry breaking of the underlying superlattice, remains elusive. Here, we demonstrate bandwidth-tuned MITs in a MoSe2/WS2 moiré superlattice at both integer and fractional fillings using the exciton sensing technique. The bandwidth is controlled by an out-of-plane electric field. The dielectric response is probed optically with the 2s exciton in a remote WSe2 sensor layer. The exciton spectral weight is negligible for the metallic state, consistent with a large negative dielectric constant. It continuously vanishes when the transition is approached from the insulating side, corresponding to a diverging dielectric constant or a "dielectric catastrophe". Our results support continuous interaction-driven MITs in a two-dimensional triangular lattice and stimulate future explorations of exotic quantum phases, such as quantum spin liquids, in their vicinities.

研究の動機と目的

• モアレスーパーラティスにおける帯域幅を調整可能な相互作用駆動の金属絶縁体転移（MIT）を調査すること。
• 並進対称性の破れが生じる分数量子数におけるMITが連続的であるかどうかを検討すること。
• 高い感度を得るために、遠く離れた励起子センサーを用いてMIT付近の誘電応答をプローブすること。
• MITで誘電定数が発散するか、すなわち「誘電体の崩壊」が生じるかを特定すること。

提案手法

• 外部の垂直方向電場を用いてモアレスーパーラティスの帯域幅を調整すること。
• モアレ系の誘電応答を光学的にプローブするために、遠く離れたWSe2層を2s励起子センサーとして用いること。
• ゲート電圧および充填因子の関数としての励起子スペクトル重みを測定し、誘電挙動を追跡すること。
• MIT付近での励起子強度の進化を分析し、誘電定数を推定すること。
• 2次元の三角格子モデルを用いて連続的MIT挙動を解釈すること。
• 実験結果を連続的MITおよび誘電定数の発散に関する理論的予測と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モアレスーパーラティスにおける分数量子数の状況下で、帯域幅を調整した金属絶縁体転移が観測可能か？
• RQ2 MITで誘電応答に発散（誘電体の崩壊）が生じるか、連続的転移を示唆するか？
• RQ3 遠く離れたセンサー層における励起子スペクトル重みは、相関のあるモアレ系の誘電特性をどのように反映するか？
• RQ4 誘電応答に不連続性がないことから、モアレスーパーラティスにおけるMITが連続的であると示唆されるか？
• RQ5 電子相関および格子対称性は、誘電体の崩壊を引き起こす役割を果たすか？

主な発見

• 系が絶縁体側からMITに近づくにつれて、励起子スペクトル重みが連続的に消失し、誘電定数の発散を示している。
• 誘電体の崩壊は整数および分数量子数の両方で観測され、連続的で相互作用駆動のMITを支持する。
• 金属状態では励起子スペクトル重みがほとんどないため、大きな負の誘電定数が推定される。
• 誘電応答に不連続性がないことから、連続的転移であると判明した。
• 結果は、2次元の三角格子における連続的MITと整合しており、量子スピン液体のような特異な量子相への影響を示唆する。
• 遠く離れた励起子センシング技術は、高い感度で誘電応答を検出でき、微細な相関効果の観測に成功した。