[論文レビュー] Excitonic Mott insulator in a Bose-Fermi-Hubbard system of moiré $ m{WS}_2$/$ m{WSe}_2$ heterobilayer

Beini Gao, D. G. Suárez-Forero+14 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2023

2D Materials and Applications参考文献 39被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、独立して調整可能な電子ドーピングと光学励起を用いてフェルミ粒子およびボーズ粒子の集団を制御可能な、WS2/WSe2のモアレヘテロバイレイヤーにおけるボーズ＝フェルミ＝ハッブル系を実現した。主な結果は、励起子の不圧縮性を通じてボーズ粒子のモット絶縁体相を観測したことである。これは光励起スペクトルのギャップと高強度ポンプにおける拡散の抑制によって裏付けられている。

ABSTRACT

Understanding the Hubbard model is crucial for investigating various quantum many-body states and its fermionic and bosonic versions have been largely realized separately. Recently, transition metal dichalcogenides heterobilayers have emerged as a promising platform for simulating the rich physics of the Hubbard model. In this work, we explore the interplay between fermionic and bosonic populations, using a $ m{WS}_2$/$ m{WSe}_2$ heterobilayer device that hosts this hybrid particle density. We independently tune the fermionic and bosonic populations by electronic doping and optical injection of electron-hole pairs, respectively. This enables us to form strongly interacting excitons that are manifested in a large energy gap in the photoluminescence spectrum. The incompressibility of excitons is further corroborated by measuring exciton diffusion, which remains constant upon increasing pumping intensity, as opposed to the expected behavior of a weakly interacting gas of bosons, suggesting the formation of a bosonic Mott insulator. We explain our observations using a two-band model including phase space filling. Our system provides a controllable approach to the exploration of quantum many-body effects in the generalized Bose-Fermi-Hubbard model.

研究の動機と目的

• 2次元遷移金属ジ chalcogenide ヘテロバイレイヤーを用いて、一般化されたボーズ＝フェルミ＝ハッブル模型における量子多体効果を実現し、その性質を調査すること。
• ゲート電圧と光学ポンピングを用いて、フェルミ粒子（電子）とボーズ粒子（励起子）の集団を独立して制御すること。
• 特に、層間励起子のボーズ粒子モット絶縁体の形成を含む強相関状態の出現を調査すること。
• 光励起分光法と拡散ダイナミクスを用いて、励起子状態の不圧縮性を調べること。

提案手法

• 対称的なトップおよびボトムゲートを備えた二重ゲート型 WS2/WSe2 ヘテロバイレイヤー素子を用い、静電的ドーピングにより電子の充填因子（νe）を調整した。
• パルス励起を用いて層間励起子の生成と制御を行い、ポンプ強度をボーズ粒子の充填量の制御パラメータとした。
• 多数体局在化と不圧縮性を示すエネルギーギャップを検出するために、光励起分光（PL）スペクトルを測定した。
• さまざまなポンプ強度におけるPL強度の飽和と空間的広がりの分析を通じて、励起子の拡散をモニタリングした。
• 観測された不圧縮性とエネルギーギャップ形成を説明するため、状態密度の空きを考慮した二バンドモデルを適用した。
• WS2/WSe2のタイプIIバンド配置を用いて、モアレスーパーラティスを介した電子と正孔のペアリングにより、層間励起子を安定化させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元モアレヘテロ構造において、フェルミ粒子とボーズ粒子の集団を独立して制御可能なボーズ＝フェルミ＝ハッブル系を実現できるか？
• RQ2 強い相互作用を示す励起子の形成は、ボーズ粒子系においてモット絶縁体相を引き起こすか？
• RQ3 励起子の不圧縮性は、光励起分光および拡散ダイナミクスにおいてどのように現れるか？
• RQ4 状態密度の空きは、不圧縮な励起子状態の安定化にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 高強度の光ポンプにおいて、光励起スペクトルに大きなエネルギーギャップが観測され、強相関的・不圧縮な励起子状態の形成を示した。
• ポンプ強度の増加に伴い、励起子の拡散が抑制された。これは弱い相互作用を示すボーズ＝アインシュタイン凝縮系の予想される挙動とは対照的であり、ボーズ粒子モット絶縁体の発現を示唆した。
• 励起子の充填度が整数値に近づくに従い、圧縮可能な励起子ガスから不圧縮なモット絶縁体相への明確な遷移を示した。
• PL強度の飽和が観測され、これは単一占有のフラクチュエーションの抑制と整合的であり、不圧縮性が裏付けられた。
• 状態密度の空きを含む二バンドモデルは、観測されたエネルギーギャップと拡散の抑制をうまく説明できた。
• 本系は、フェルミ粒子とボーズ粒子の自由度を併せ持つ一般化されたボーズ＝フェルミ＝ハッブル模型における量子多体物理学を探索する調整可能なプラットフォームを提供した。