[논문 리뷰] Moiré superlattice in a MoSe$_2$/hBN/MoSe$_2$ heterostructure: from coherent coupling of inter- and intra-layer excitons to correlated Mott-like states of electrons

Yuya Shimazaki, Ido Schwartz외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 29.

2D Materials and Applications참고 문헌 2인용 수 62

한 줄 요약

논문은 MoSe2/hBN/MoSe2 이종구조에서 모아레 초격자(Moiré superlattice)가 형성되며 구멍 터널링을 통한 층 간(inter-layer) 및 층 내(intra-layer) exciton coupling이 일관되게(coherent) 발생하여 다수의 Moiré 밴드가 나타나고, exciton-polaron 스펙트로스코피가 상호작용에 의해 incompressible Mott 유사 전자 상태를 반절 채움에서 드러낸다.

ABSTRACT

Two dimensional materials and their heterostructures constitute a promising platform to study correlated electronic states as well as many body physics of excitons. Here, we present experiments that unite these hitherto separate efforts and show how excitons that are dynamically screened by itinerant electrons to form exciton-polarons, can be used as a spectroscopic tool to study interaction-induced incompressible states of electrons. The MoSe$_2$/hBN/MoSe$_2$ heterostructure that we study exhibits a long-period Moiré superlattice as evidenced by coherent-hole tunneling mediated avoided crossings between the intra-layer exciton with three inter-layer exciton resonances separated by $\sim$ 3meV. For electron densities corresponding to half-filling of the lowest Moiré subband, we observe strong layer-paramagnetism demonstrated by an abrupt transfer of all $\sim$ 1500 electrons from one MoSe$_2$ layer to the other upon application of a small perpendicular electric field. Remarkably, the electronic state at half-filling of each MoSe$_2$ layer is resilient towards charge redistribution by the applied electric field, demonstrating an incompressible Mott-like state of electrons. Our experiments demonstrate that optical spectroscopy provides a powerful tool for investigating strongly correlated electron physics in the bulk and pave the way for investigating Bose-Fermi mixtures of degenerate electrons and dipolar excitons.

연구 동기 및 목표

• van der Waals 이질구조에서 상관 전자 상태와 exciton 다체 물성을 연구하기 위한 플랫폼을 제시한다.
• 운반 전자에 의해 동적으로 스크린되는 excitons(Exciton-polarons)가 상호작용에 의해 유도된 incompressible 상태를 탐지할 수 있음을 보인다.
• 모어레 초격자에서 구멍 터널링을 통해 층 간과 층 내 exciton 사이의 일관된 커플링을 보여준다.
• 장주기 모어레 서브밴드를 식별하고 광학 스펙트로스코피를 통해 층별 전하 구성과 음의 압축율(negative compressibility)을 관찰한다.

제안 방법

• MoSe2/hBN/MoSe2 이질구조를 단일층 hBN 터널 장벽을 갖도록 제조하여 MoSe2 층 간의 일관된 구멍 터널링을 가능하게 한다.
• 이중 게이팅을 사용하여 이층 전체에 걸친 전기장 Ez와 화학 퍼텐셜 μ를 독립적으로 제어한다.
• 저온(≈4 K) 광학 스펙트로스코피를 수행하고 ΔR/R0 및 발광광(photoluminescence)을 포함하여 exciton 공진을 매핑한다.
• 층내 X_top과 X_bot 간의 회피 교차 및 층간 IX 공진을 식별하여 모어레 매개 혼성화를 확인한다.
• Exciton-polaron 공진(RP/AP)을 전자 밀도에 따라 추적하여 층 점유와 incompressible 상태를 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoSe2/hBN/MoSe2 이질구조가 층 간과 층 내 exciton을 일관되게 결합하는 모어레 초격자를 호스팅할 수 있는가?
• RQ2 Exciton-polaron 스펙트로스코피가 층별 전하 구성을 어떻게 드러내고 낮은 전자 밀도에서 incompressible Mott-like 상태를 어떻게 탐지하는가?
• RQ3 수직 전기장과 총 채움에 따라 모어레 서브밴드와 층 편극 전이의 특징은 무엇인가?
• RQ4 가장 낮은 모어레 서브밴드의 반 채움이 강한 상관관계를 시사하는 층 간 자화에 의한 급격한 전하 이동이 발생하는가?

주요 결과

• 구멍 터널링의 코히런스와 모어레 유도 회피 교차를 통해 층간 엑시콘 공진이 약 ~3 meV로 분리된 3개 관찰되었고, 이는 층간 엑시콘과 층내 엑시콘 간의 커플링을 시사한다.
• hBN 장벽에 의해 길게 수명 있는 층간 엑시콘의 존재 증거와 간접 엑시콘의 3개 모어레 서브밴드 식별.
• Exciton-polaron 공진은 전자 밀도를 층별로 민감하게 해독하는 도구를 제공하고 층 간 전하 이동을 통한 음의 압축율을 드러낸다.
• 가장 낮은 모어레 서브밴드의 반 채움에서 작은 수직 전계 하에 약 1500개의 전자가 층 간으로 급격하게 이동하는 현상이 나타나며, 이는 incompressible Mott-like 상태를 시사한다.
• μ에 대한 X_top 및 X_bot 에너지 도함수의 체커보드 패턴은 층별 채움과 저밀도에서 모어레 서브밴드의 존재를 확인한다.
• ν = 1일 때, 플래토형(polaron) 스펙트럼은 층 간의 incompressible 상태가 (1/2,1/2) 구성으로 서로 안정화된다는 것을 시사한다.