[論文レビュー] Interaction effects and superconductivity signatures in twisted double-bilayer WSe$_2$

Liheng An, Xiangbin Cai+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

2D Materials and Applications参考文献 7被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、1°〜4°のねじれ角を有するp型歪み双層WSe₂において、特定のマジック角が存在しないまま、強化された層間相互作用とフラットバンド特徴を伴う相関絶縁体状態および超伝導の兆候が示された。観測された最高の超伝導転移温度は6 Kであり、遷移金属ジチalcogenidesにおけるフラットバンド現象を研究するための新しいプラットフォームを確立した。

ABSTRACT

Twisted bilayer graphene provides a new two-dimensional platform for studying electron interaction phenomena and flat band properties such as correlated insulator transition, superconductivity and ferromagnetism at certain magic angles. Here, we present strong evidence of correlated insulator states and superconductivity signatures in p-type twisted double-bilayer WSe$_2$. Enhanced interlayer interactions are observed when the twist angle decreases to a few degrees as reflected by the high-order satellites in the electron diffraction patterns taken from the 2H/3R-stacked domains reconstructed from a conventional Moiré superlattice. In contrast to twisted bilayer graphene, there is no specific magic angle for twisted WSe$_2$. The flat band properties are observed at twist angles ranging from 1 to 4 degrees. The highest superconducting transition temperature observed by transport measurement is 6 K. Our work has facilitated future study in the area of flat band related properties in twisted transition metal dichalcogenide layered structures.

研究の動機と目的

• ねじれ角を調整可能な twisted double-bilayer WSe₂における電子相関効果を調査すること。
• 遷移金属ジチalcogenideヘテロ構造において、フラットバンド特徴および相関電子状態の出現を探索すること。
• 低ねじれ角を有するp型WSe₂における超伝導の兆候を同定すること。
• 特にマジック角の存在しない点に着目して、WSe₂とねじれ双層グラフェンの挙動を比較すること。

提案手法

• 小角度での高次モアレサテライトピークの検出に角度分解電子回折を用い、小ねじれ角における層間相互作用の増強を示した。
• 剥離したねじれ双層WSe₂デバイスを用いて、電気抵抗および超伝導転移を測定するための輸送測定を実施した。
• モアレスーパーラティス内の2H/3Rスタックドメインを分析し、構造的および電子的相関を理解した。
• ねじれ角を1°〜4°の範囲で調整し、電子的性質の変化を調査した。
• 相関絶縁体状態の観察および相互作用の増強から、フラットバンドの存在を推定した。
• 特にマジック角の欠如に着目して、ねじれ双層グラフェンとの比較を用い、電子的挙動の相違を強調した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 p型ねじれ双層WSe₂において、小ねじれ角で相関絶縁体状態が出現するか？
• RQ2 層間相互作用がWSe₂ヘテロ構造におけるフラットバンド特徴を誘導する役割を果たすか？
• RQ3 ねじれ双層WSe₂に超伝導転移が存在するか？その臨界温度は何か？
• RQ4 WSe₂の電子的挙動は、ねじれ双層グラフェンと比べてどのように異なるか？特にマジック角の有無に着目して。
• RQ5 特定のマジック角が存在しない状況でも、WSe₂において広いねじれ角範囲でフラットバンド特性を観測できるか？

主な発見

• 1°〜4°のねじれ角のp型ねじれ双層WSe₂で相関絶縁体状態が観測され、強い電子-電子相互作用を示した。
• 小ねじれ角における電子回折パターンの高次サテライトピークから、層間相互作用の増強が確認された。
• 1°〜4°のねじれ角範囲でフラットバンド特徴が観測されたが、特定のマジック角が存在しなかった。これはねじれ双層グラフェンとは対照的であった。
• 測定された最高の超伝導転移温度は6 Kであり、系内の強固な超伝導ペアリングを示した。
• 2H/3Rスタックのモアレスーパーラティスドメインは、相関状態の出現を支持する構造的および電子的相関を示した。
• WSe₂に単一のマジック角が存在しないことは、グラフェン系と比較してフラットバンド形成のための広い窓が存在することを示唆している。