[論文レビュー] Electrically controlled interlayer trion fluid in electron-hole bilayers

Ruishi Qi, Qize Li+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、遷移金属ジ chalcogenide 異種積層構造によって形成される二次元電子・正孔二重層において、初めての電気的にチューナブルな相互層トリアン流体を実証した。静電的ゲーティングを施すことにより、系は連続的にトリアン流体、励起子・トリアン混合状態、電子・正孔プラズマといった異なる量子相へとチューニング可能であり、光学励起によってテトロンやペントンといった高次複合体が観測された。これにより、チューナブルなボーズ・フェルミ混合系や人造イオンを研究するためのプラットフォームが実現された。

ABSTRACT

The combination of repulsive and attractive Coulomb interactions in a quantum electron(e)-hole(h) fluid can give rise to novel correlated phases of multiparticle charge complexes such as excitons, trions and biexcitons. Here we report the first experimental realization of an electrically controlled interlayer trion fluid in two-dimensional van der Waals heterostructures. We demonstrate that in the strong coupling regime of electron-hole bilayers, electrons and holes in separate layers can spontaneously form three-particle trion bound states that resemble positronium ions in high energy physics. The interlayer trions can assume 1e-2h and 2e-1h configurations, where electrons and holes are confined in different transition metal dichalcogenide layers. We show that the two correlated holes in 1e-2h trions form a spin-singlet state with a spin gap of ~1meV. By electrostatic gating, the equilibrium state of our system can be continuously tuned into an exciton fluid, a trion fluid, an exciton-trion mixture, a trion-charge mixture or an electron-hole plasma. Upon optical excitation, the system can host novel high-order multiparticle charge complexes including interlayer four-particle complex (tetrons) and five-particle complex (pentons). Our work demonstrates a unique platform to study novel correlated phases of tunable Bose-Fermi mixtures and opens up new opportunities to realize artificial ions/molecules in electronic devices.

研究の動機と目的

• 静電的ゲーティングを用いて、van der Waals 異種積層構造における相互層トリアン流体の実現と制御を目的とする。
• 競合するクーロン相互作用を有する電子・正孔二重層における相関した多体状態の出現を調査すること。
• 励起子流体、トリアン流体、電子・正孔プラズマ状態の間でのチューナビリティを実証すること。
• 光学励起下におけるテトロンやペントンなどの高次多粒子複合体の形成を調査すること。
• 2次元量子系におけるチューナブルなボーズ・フェルミ混合系および人造イオンを研究するためのプラットフォームを構築すること。

提案手法

• 遷移金属ジ chalcogenide 層からなる2次元 van der Waals 異種積層構造を用い、空間的に分離した電子と正孔を担持する。
• キャリア密度を連続的にチューニングし、系の平衡状態を制御するための静電的ゲーティングを適用する。
• 光学励起を用いて、相互層テトロンやペントンなどの高次電荷複合体の形成をプローブする。
• 2正孔を有するトリアン状態におけるスピン・シンギュレート状態の測定を行い、スピンギャップを約1 meV として測定した。
• 強いクーロン結合を用いて、高エネルギー物理学におけるポジトロニウムイオンに類似した3粒子束縛状態を安定化させる。
• ゲート電圧制御による励起子流体、トリアン流体、電子・正孔プラズマ間の相転移を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元電子・正孔二重層において、相互層トリアン流体を電気的に制御可能か？
• RQ2 このような系において、静電的チューニングによって到達可能な明確な量子相は何か？
• RQ3 2つの正孔を有するトリアン状態におけるスピン相関はどのように現れるのか？また、測定されたスピンギャップは何か？
• RQ4 光学励起下でどのような高次多粒子複合体（例：テトロン、ペントン）が形成可能か？
• RQ5 この系は、ボーズ・フェルミ混合系および人造イオンを研究するためのチューナブルなプラットフォームとして、どの程度の応用が可能か？

主な発見

• 系は、電子と正孔が別々の層に閉じ込められた1e-2h および 2e-1h の構成を有する安定な相互層トリアン流体を示した。
• 1e-2h トリアンにおける2つの正孔は、測定されたスピンギャップが約1 meV のスピン・シンギュレート状態を形成した。
• 静電的ゲーティングにより、励起子流体からトリアン流体、トリアン・チャージ混合状態、または電子・正孔プラズマへと連続的にチューニング可能である。
• 光学励起により、新規の相互層4粒子（テトロン）および5粒子（ペントン）複合体が形成された。
• 系は、チューナブルなボーズ・フェルミ混合系を含む、相関した多体状態の豊富な相図を支持している。
• トリアン流体は、ポジトロニウムイオンに類似した振る舞いを示し、高エネルギー物理学のアナロジーとしての関連性を強調している。