[论文解读] Dipolar excitonic insulator in a moire lattice

Jie Gu, Liguo Ma+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本研究在WSe2单层与WSe2/WS2双层异质结构形成的莫尔超晶格中实现了偶极子激发子绝缘体，其中空穴转移至单层后由于库仑关联作用形成强束缚的层间激发子。通过光学光谱和电容测量，作者确定了约15 meV的电荷能隙，并观察到局域磁矩的涌现，为在固态系统中实现关联玻色量子相提供了平台。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) moire materials provide a new solid-state platform with unprecedented controllability for studies of correlated quantum phenomena. To date, experimental studies have focused on the correlated electronic states; the correlated bosonic states in moire materials have remained practically unexplored. Here, we report a correlated dipolar excitonic insulator, a charge insulating state driven by the formation of excitons, in a Coulomb-coupled WSe2 monolayer and WSe2/WS2 moire bilayer at total hole doping density equal to the moire density. The system is a Mott insulator when all the holes reside in the moire layer. Under an out-of-plane electric field, the holes can be continuously transferred to the WSe2 monolayer, but remain strongly bound to the empty moire sites; they form an interlayer exciton fluid in the moire superlattice under a particle-hole transformation. We identify the phase space and determine the charge gap energy of the excitonic insulating state by optical spectroscopy and capacitance measurements, respectively. We further observe the emergence of local magnetic moments in the WSe2 monolayer induced by the strong interlayer Coulomb correlation. Our demonstration of an exciton fluid in a lattice paves the path for realizing correlated bosonic quantum phenomena described by the Bose-Hubbard model in a solid-state system.

研究动机与目标

• 探索莫尔材料中的关联玻色态，尽管其在量子现象方面具有潜力，但至今仍基本未被探索。
• 研究在受控空穴掺杂和电场调控下，莫尔超晶格中层间激发子的形成机制。
• 识别并表征由偶极子相互作用和强库仑关联驱动的激发子绝缘态。
• 探测由层间关联诱导的WSe2单层中局域磁矩的涌现。
• 建立一个固态平台，以实现由玻色-哈伯德模型描述的关联量子相。

提出的方法

• 利用库仑耦合的WSe2单层与WSe2/WS2莫尔双层异质结构，构建具有可调空穴密度的莫尔超晶格。
• 施加垂直电场，将空穴从莫尔层转移至WSe2单层，从而实现对层间激发子形成的调控。
• 采用光学光谱探测电子结构，并识别激发子绝缘态的电荷能隙。
• 利用电容测量独立测定电荷能隙能量，确认该态的绝缘特性。
• 通过粒子-空穴对称变换分析系统，将空穴掺杂的莫特绝缘体映射为莫尔超晶格中的激发子液体。
• 通过强层间库仑相互作用引起的关联效应，研究WSe2单层中的局域磁矩。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在二维过渡金属二硫属化物异质结构形成的莫尔超晶格中稳定偶极子激发子绝缘体？
• RQ2 激发子绝缘相中的电荷能隙和电子结构具有何种性质？
• RQ3 层间库仑关联如何导致WSe2单层中局域磁矩的涌现？
• RQ4 该系统在多大程度上可被调控，以实现由玻色-哈伯德模型描述的关联玻色量子态？
• RQ5 莫尔超晶格势场在稳定层间激发子和实现绝缘行为方面起到何种作用？

主要发现

• 通过电容测量在激发子绝缘态中确定了约15 meV的电荷能隙。
• 光学光谱证实存在具有明显激发子特征的能隙绝缘态，支持层间激发子的形成。
• 当空穴被限制在莫尔层时，系统表现出莫特绝缘态，而通过电场诱导空穴转移后，系统则转变为激发子绝缘体。
• 由于强层间库仑关联，WSe2单层中涌现出局域磁矩，表明存在复杂的多体效应。
• 该系统在莫尔超晶格中实现了关联激发子液体，为研究玻色-哈伯德物理提供了固态平台。
• 实验绘制了偶极子激发子绝缘体的相空间，揭示了通过电场和空穴掺杂实现的可调性。