[论文解读] Dielectric catastrophe at the Mott and Wigner transitions in a moiré superlattice

Yanhao Tang, Jie Gu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2022

Material Dynamics and Properties被引用 5

一句话总结

本研究通过激子探测，在 MoSe2/WS2 莫尔超晶格中实现了在整数填充和分数填充下带宽可调的金属-绝缘体转变（MIT）。通过施加垂直于平面的电场调节带宽，并利用远端 WSe2 层中的 2s 激子探测介电响应，作者观察到在接近 MIT 时激子谱权重连续消失，表明介电常数发散或出现‘介电灾难’，支持了在二维三角晶格中由相互作用驱动的连续 MIT。

ABSTRACT

The metal-insulator transition (MIT) driven by electronic correlations is a fundamental and challenging problem in condensed-matter physics. Particularly, whether such a transition can be continuous remains open. The emergence of semiconducting moiré materials with continuously tunable bandwidth provides an ideal platform to study interaction-driven MITs. Although a bandwidth-tuned MIT at fixed full electron filling of the moiré superlattice has been reported recently, that at fractional filling, which involves translational symmetry breaking of the underlying superlattice, remains elusive. Here, we demonstrate bandwidth-tuned MITs in a MoSe2/WS2 moiré superlattice at both integer and fractional fillings using the exciton sensing technique. The bandwidth is controlled by an out-of-plane electric field. The dielectric response is probed optically with the 2s exciton in a remote WSe2 sensor layer. The exciton spectral weight is negligible for the metallic state, consistent with a large negative dielectric constant. It continuously vanishes when the transition is approached from the insulating side, corresponding to a diverging dielectric constant or a "dielectric catastrophe". Our results support continuous interaction-driven MITs in a two-dimensional triangular lattice and stimulate future explorations of exotic quantum phases, such as quantum spin liquids, in their vicinities.

研究动机与目标

• 研究带宽可调的莫尔超晶格中的相互作用驱动金属-绝缘体转变（MIT）。
• 探讨在存在平动对称性破缺的分数填充下，MIT 是否可以是连续的。
• 利用远端激子传感器探测 MIT 附近的介电响应，以实现高灵敏度探测。
• 确定介电常数是否在 MIT 处发散，从而指示‘介电灾难’。

提出的方法

• 通过外部垂直电场调节莫尔超晶格的带宽。
• 利用远端 WSe2 层作为 2s 激子传感器，光学探测莫尔体系的介电响应。
• 测量作为栅压和填充因子函数的激子谱权重，以追踪介电行为。
• 分析接近 MIT 时激子强度的演化，以推断介电常数。
• 采用二维三角晶格模型解释连续 MIT 行为。
• 将实验结果与连续 MIT 及介电发散的理论预期进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在莫尔超晶格的分数填充下观测到带宽可调的金属-绝缘体转变？
• RQ2 介电响应是否在 MIT 处出现发散（介电灾难），表明为连续转变？
• RQ3 远端传感器层中的激子谱权重如何反映关联性莫尔体系的介电特性？
• RQ4 MIT 是否为连续转变，如介电响应无突变所表明的那样？
• RQ5 电子关联和晶格对称性在驱动介电灾难中起什么作用？

主要发现

• 当系统从绝缘相一侧接近 MIT 时，激子谱权重连续消失，表明介电常数发散。
• 介电灾难在整数和分数填充下均被观测到，支持了连续相互作用驱动的 MIT。
• 由于激子谱权重可忽略，推断金属态具有较大的负介电常数。
• 该转变是连续的，表现为介电响应平滑演化，无任何不连续性。
• 结果与二维三角晶格中连续 MIT 的理论一致，对如量子自旋液体等奇异量子态具有启示意义。
• 远端激子探测技术成功实现了高灵敏度介电响应探测，使细微关联效应得以观测。