[論文レビュー] Evidence for Exciton Crystals in a 2D Semiconductor Heterotrilayer

Yusong Bai, Yiliu Li+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2022

2D Materials and Applications参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、WSe2/MoSe2/WSe2 2次元ヘテロトリレイヤーにおいて、相互作用が強化された状態で秩序だてられた四極子型励起子結晶が形成されることを分光的証拠で示している。バイレイヤーとは異なり、これらの励起子は局在化した状態を保ち、10^12 cm⁻²の励起子密度に達しても鋭い光励起発光を示す。これは、不規則性や移動度に起因する脱局在化に対して安定な結晶相であることを示している。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDC) and their moiré interfaces have been demonstrated for correlated electron states, including Mott insulators and electron/hole crystals commensurate with moiré superlattices. Here we present spectroscopic evidences for ordered bosons - interlayer exciton crystals in a WSe2/MoSe2/WSe2 trilayer, where the enhanced Coulomb interactions over those in heterobilayers have been predicted to result in exciton ordering. While the dipolar interlayer excitons in the heterobilayer may be ordered by the periodic moiré traps, their mutual repulsion results in de-trapping at exciton density n_ex larger than 10^11 cm^-2 to form mobile exciton gases and further to electron-hole plasmas, both accompanied by broadening in photoluminescence (PL) peaks and large increases in mobility. In contrast, ordered interlayer excitons in the trilayer are characterized by negligible mobility and by sharper PL peaks persisting to n_ex approximately 10^12 cm^-2. We present evidences for the predicted quadrupolar exciton crystal and its transitions to dipolar excitons either with increasing n_ex or by an applied electric field. These ordered interlayer excitons may serve as models for the exploration of quantum phase transitions and quantum coherent phenomena.

研究の動機と目的

• 2次元半導体ヘテロ構造におけるバイレイヤーを超える相関した多体状態の形成を調査すること。
• トリレイヤー構造における強化されたクーロン相互作用が秩序だてられた励起子相を安定化させる仕組みを明らかにすること。
• バイレイヤーにおける双極子型励起子とトリレイヤーにおける四極子型励起子結晶を、分光的特徴によって区別すること。
• 励起子密度や外部電場の変化に伴う、秩序だてられた励起子結晶から移動性のある励起子ガスや電子-正孔プラズマへの遷移を調査すること。
• トリレイヤー系を、量子相転移や秩序だてられた量子現象を研究するプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 正確なスタッキングとカプセル化を施したWSe2/MoSe2/WSe2ヘテロトリレイヤー構造の作製。
• 低温光励起発光（PL）分光法を用いて励起子状態およびそのスペクトル幅を評価。
• 静電的ゲーティングによる励起子密度（n_ex）の系統的変化を実施し、秩序だてられた相から無秩序な相への遷移を観察。
• 外部電場を印加して層間ポテンシャルを調整し、四極子型励起子から双極子型励起子への特性変化を誘導。
• 既知のバイレイヤー構造と比較して、PLの線幅拡張および移動度の傾向を分析し、特徴的な励起状態領域を同定。
• スペクトルの持続性と鋭さを指標として、励起子結晶相における長距離秩序および局在化状態を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元半導体トリレイヤーにおける層間励起子は、強化されたクーロン相互作用により安定で秩序だてられた結晶相を形成できるか？
• RQ2 励起子密度の上昇が、秩序だてられた励起子結晶から移動性のある励起子ガスやプラズマへの遷移にどのように影響するか？
• RQ3 分光的特徴として、バイレイヤー系における双極子型励起子と区別できる四極子型励起子結晶の特徴は何か？
• RQ4 外部電場の印加が、励起子結晶相の安定性および性質にどのように影響するか？
• RQ5 観測された特性が、励起子系における量子相転移の存在をどの程度裏付けているか？

主な発見

• トリレイヤー構造は、励起子密度が10^12 cm⁻²に達するまで鋭い光励起発光ピークを示し、長距離秩序および局在化を示している。
• 高密度域においても光励起発光の線幅が狭いまま維持され、バイレイヤーで観察される広がりとは対照的であり、不規則性や移動度に起因する影響が抑制されていることを示している。
• 層間励起子の移動度はほとんど認められず、これは移動性のないピン止めされた結晶的状態であることを示している。
• 分光的証拠により、双極子型励起子とは明確に異なる四極子型励起子結晶の形成が裏付けられている。
• 励起子密度を増加させるか、外部電場を印加することで、秩序だてられた四極子型相から無秩序で移動性のある双極子型励起子状態への遷移が誘導される。
• 励起子結晶相の安定性とコherentlyな性質は、量子相転移や多体量子現象を研究するためのプラットフォームとしての可能性を示唆している。