[論文レビュー] Moiré lattice-induced formation and tuning of hybrid dipolar excitons in twisted WS$_2$/MoSe$_2$ heterobilayers

Long Zhang, Zhe Zhang+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2019

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ひとこと要約

本研究では、歪み角が異なる場合に形成されるモアレ超格子を介して、ねじれWS₂/MoSe₂ヘテロビレイヤーにおけるハイブリッド双極子励起子の連続的チューニングを示した。モアレ格子は、層間および層内励起子間の共鳴的ハイブリダイゼーションを可能にし、21.8°および38.2°の共鳴的角において、強化された層間トンネル効果に起因してハイブリッド励起子の顕著な再生が観測された。これにより、角度依存光学分光法を用いて励起子有効質量およびトンネル強度を抽出可能となった。

ABSTRACT

Moiré superlattices formed in van der Waals bilayers have enabled the creation and manipulation of new quantum states, as is exemplified by the discovery of superconducting and correlated insulating states in twisted bilayer graphene near the magic angle. Twisted bilayer semiconductors may lead to tunable exciton lattices and topological states, yet signatures of moiré excitons have been reported only in closely angularly-aligned bilayers. Here we report tuning of moiré lattice in WS$_{2}$ /MoSe$_{2}$ bilayers over a wide range of twist angles, leading to the continuous tuning of moiré lattice induced interlayer excitons and their hybridization with optically bright intralayer excitons. A pronounced revival of the hybrid excitons takes place near commensurate twist angles, 21.8°and 38.2°, due to interlayer tunneling between states connected by a moiré reciprocal lattice vector. From the angle dependence, we obtain the effective mass of the interlayer excitons and the electron inter-layer tunneling strength. These findings pave the way for understanding and engineering rich moiré-lattice induced phenomena in angle-twisted semiconductor van dar Waals heterostructures.

研究の動機と目的

• ねじれ遷移金属ジカルコゲナイドヘテロビレイヤーにおけるモアレ超格子が、ハイブリッド励起子状態の生成およびチューニングを可能にする役割を調査すること。
• 歪み角がWS₂/MoSe₂ヘテロ構造における層間結合および励起子ハイブリダイゼーションに与える影響を調査すること。
• 角度依存光学分光法を用いて、層間励起子の有効質量および層間電子トンネル強度を測定すること。
• モアレ格子の周期性、バルクの整列、共鳴的ハイブリッド励起子形成を結びつける理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• 光学的保護のためのhBNエナクロージャーを用いた機械的剥離法により、制御された歪み角を有するWS₂/MoSe₂ヘテロビレイヤーを作製した。
• 歪み角を1度未満の精度で測定するために、角度分解第二高調波生成を用いた。
• 低温マイクロ発光分光法を用いて、歪み角の関数としての励起子遷移を調べた。
• モアレ逆格子ベクトル、層間トンネル、バルク結合を組み込んだ理論モデルを構築し、ハイブリッド励起子形成を記述した。
• 歪み角の関数としてのエネルギーデチューニング（δ）およびイントラ層とインタ層励起子間の結合強度（J）の解析的表現を導出した。
• 実験データへのモデルフィッティングにより、層間励起子の有効質量および層間トンネル行列要素（w ≈ 14 meV）を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WS₂/MoSe₂ヘテロビレイヤーにおける歪み角は、ハイブリッド励起子の形成およびエネルギーにどのように影響を与えるか？
• RQ2 モアレ超格子の周期性は、励起子状態間の共鳴的層間結合を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 どの歪み角において、強化されたトンネル効果に起因してハイブリッド励起子が顕著に再生するか、その理由は何か？
• RQ4 層間励起子の有効質量および層間トンネル強度は、歪み角に応じてどのように変化するか？
• RQ5 スピン軌道結合およびバルク選択則は、イントラ層およびインタ層励起子のハイブリダイゼーションにどの程度影響を与えるか？

主な発見

• ハイブリッド励起子は、21.8°および38.2°の歪み角において顕著な再生を示した。これは、層間のバルクが整列する共鳴的モアレ超格子に対応する。
• エネルギーデチューニング（δ）は、モアレ格子内の運動エネルギーの増加に起因して歪み角が増加するにつれて増大し、δ ∝ θ²と一致した。
• ハイブリッド状態間の結合強度（J）は、トンネル行列要素における運動量不一致のため、歪み角が増加するにつれて減少した。
• θ = 0°における測定された結合強度から、層間トンネル行列要素（w）は実験的に約14 meVと推定された。
• ハイブリッド励起子エネルギーの角度依存性から、層間励起子の有効質量（M_IX）が抽出され、モデルの予測能力が裏付けられた。
• 結合していない層間励起子とイントラ層励起子の結合エネルギー差はわずか10–16 meVであり、トンネル効果を無視した場合に予測される約100 meVと比べて顕著に小さい。