[论文解读] Tunable spin and valley excitations of correlated insulators in $Γ$-valley moiré bands

Benjamin A. Foutty, Jiachen Yu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 6

一句话总结

本研究展示了在扭曲双层WSe₂的Γ谷摩尔条纹能带中形成的关联绝缘体中，自旋和谷激发的可调性。通过局部和全局压缩率测量，识别出具有自旋极化基态及自旋极化子准粒子激发的自旋极化基态，并揭示了通过位移场调控在Γ谷和K谷摩尔条纹能带之间发生的连续金属-绝缘体相变，从而实现对最低能态谷特性的电控调节。

ABSTRACT

Moiré superlattices formed from transition metal dichalcogenides (TMDs) have been shown to support a variety of quantum electronic phases that are highly tunable using applied electromagnetic fields. While the valley character of the low-energy states dramatically affects optoelectronic properties in the constituent TMDs, this degree of freedom has yet to be fully explored in moiré systems. Here, we establish twisted double bilayer WSe$_2$ as an experimental platform to study electronic correlations within $Γ$-valley moiré bands. Through a combination of local and global electronic compressibility measurements, we identify charge-ordered phases at multiple integer and fractional moiré band fillings $ν$. By measuring the magnetic field dependence of their energy gaps and the chemical potential upon doping, we reveal spin-polarized ground states with novel spin polaron quasiparticle excitations. In addition, an applied displacement field allows us to realize a new mechanism of metal-insulator transition at $ν= -1$ driven by tuning between $Γ$- and $K$-valley moiré bands. Together, our results demonstrate control over both the spin and valley character of the correlated ground and excited states in this system.

研究动机与目标

• 研究AB堆叠的扭曲双层WSe₂的Γ谷摩尔条纹能带中的电子关联效应。
• 探讨自旋和谷自由度在这些摩尔条纹系统中关联绝缘相内的作用。
• 确定磁场和位移场如何调控基态和激发态的自旋与谷特性。
• 建立一个通过电控手段在介观三角晶格模型中设计新型量子相的平台。
• 利用直流传感技术实现对低密度TMD摩尔条纹系统中定量热力学测量。

提出的方法

• 制备了双栅结构的扭曲双层WSe₂异质结构，扭转角分别为2.2°和3.1°，以调控摩尔势阱和载流子密度。
• 进行局部和全局电子压缩率测量，以识别在整数和分数摩尔填充因子下的不可压缩态。
• 测量掺杂状态下能量隙和化学势的磁场依赖性，以探测自旋极化和准粒子激发。
• 施加位移场以调控Γ谷和K谷摩尔条纹能带的相对能量，并追踪绝缘能隙的演化。
• 采用连续体模型解释能隙对位移场的依赖性，将其与Γ谷和K谷之间的能带切换联系起来。
• 采用直流热力学传感技术，量化低载流子密度下的化学势和压缩率。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋和谷自由度如何影响扭曲WSe₂的Γ谷摩尔条纹能带中基态和低能激发态的性质？
• RQ2 在ν = -1和ν = -3处的电荷有序绝缘态中，能量隙和化学势的磁场依赖性如何？
• RQ3 施加的位移场如何影响Γ谷摩尔条纹系统中的能带结构和绝缘能隙？
• RQ4 能否通过电控手段在Γ谷和K谷之间调节最低能摩尔条纹能带的谷特性？
• RQ5 扭转角和能带结构细节在多大程度上影响能隙大小及其场依赖性？

主要发现

• 通过局部和全局压缩率测量，在整数摩尔填充因子ν = -1和ν = -3处识别出电荷有序绝缘相。
• 在ν = -1处，能量隙在零位移场下达到约30 meV的最大值，并随|D|增大而单调关闭，在|D| ≈ 0.2–0.4 V/nm时完全消失。
• 在ν = -1附近，化学势的dμ/dn呈负值，表明存在自旋极化基态及自旋极化子准粒子激发。
• 在宽范围位移场下能隙的连续关闭表明，系统经历了从Γ谷主导到K谷主导的摩尔条纹能带转变，K能带在临界D处与Γ能带相交。
• 能隙大小和位移场依赖性对扭转角的依赖性较弱，表明物理机制主要由Γ谷和K谷价带边的相对能量决定，而非摩尔超晶格的精细细节。
• 结果表明，适度的位移场即可实现对最低摩尔条纹能带谷特性的电控切换，从而实现对能带结构和关联量子态的可调控制。