[论文解读] Electrically controlled interlayer trion fluid in electron-hole bilayers

Ruishi Qi, Qize Li+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本研究首次展示了在过渡金属二硫属化物异质结构形成的二维电子-空穴双层中，通过电场调控实现的可调谐层间三子流体。通过施加静电栅压，系统可连续调控进入不同的量子相——包括三子流体、激子-三子混合态以及电子-空穴等离子体——同时光学激发揭示了更高阶复合物如四子和五子，从而构建了一个研究可调谐玻色-费米混合物与人工离子的平台。

ABSTRACT

The combination of repulsive and attractive Coulomb interactions in a quantum electron(e)-hole(h) fluid can give rise to novel correlated phases of multiparticle charge complexes such as excitons, trions and biexcitons. Here we report the first experimental realization of an electrically controlled interlayer trion fluid in two-dimensional van der Waals heterostructures. We demonstrate that in the strong coupling regime of electron-hole bilayers, electrons and holes in separate layers can spontaneously form three-particle trion bound states that resemble positronium ions in high energy physics. The interlayer trions can assume 1e-2h and 2e-1h configurations, where electrons and holes are confined in different transition metal dichalcogenide layers. We show that the two correlated holes in 1e-2h trions form a spin-singlet state with a spin gap of ~1meV. By electrostatic gating, the equilibrium state of our system can be continuously tuned into an exciton fluid, a trion fluid, an exciton-trion mixture, a trion-charge mixture or an electron-hole plasma. Upon optical excitation, the system can host novel high-order multiparticle charge complexes including interlayer four-particle complex (tetrons) and five-particle complex (pentons). Our work demonstrates a unique platform to study novel correlated phases of tunable Bose-Fermi mixtures and opens up new opportunities to realize artificial ions/molecules in electronic devices.

研究动机与目标

• 通过静电栅压在范德华异质结构中实现并调控层间三子流体。
• 探索电子-空穴双层中竞争库仑相互作用下相关多体量子相的出现。
• 展示在激子流体、三子流体与电子-空穴等离子体态之间可调的转变。
• 研究在光学激发下形成更高阶多体复合物（如四子、五子）的机制。
• 建立一个用于研究二维量子系统中可调谐玻色-费米混合物与人工离子的平台。

提出的方法

• 利用由过渡金属二硫属化物层组成的二维范德华异质结构，实现电子与空穴在空间上的分离。
• 应用静电栅压连续调控载流子密度，控制系统的平衡态。
• 采用光学激发探测层间四粒子复合物（如四子）与五粒子复合物（如五子）的形成。
• 测量双空穴三子态中的自旋单重态配对，测得自旋能隙约为1 meV。
• 利用强库仑耦合稳定三粒子束缚态，其行为类似于高能物理中的正电子素离子。
• 通过栅压调控分析激子流体、三子流体与电子-空穴等离子体之间的相变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在二维电子-空穴双层中实现层间三子流体的电场调控？
• RQ2 通过静电栅压调控，此类系统可实现哪些不同的量子相？
• RQ3 在双空穴三子态中，自旋关联如何表现？测得的自旋能隙是多少？
• RQ4 在光学激发下，可形成哪些更高阶多体复合物（如四子、五子）？
• RQ5 该系统在多大程度上可作为研究玻色-费米混合物与人工离子的可调平台？

主要发现

• 该系统表现出稳定的层间三子流体，包含1e-2h与2e-1h构型，其中电子与空穴被限制在不同层中。
• 在1e-2h三子中，两个空穴形成自旋单重态，测得自旋能隙约为1 meV。
• 静电栅压可实现从激子流体到三子流体、三子-电荷混合态或电子-空穴等离子体的连续调控。
• 光学激发可形成新颖的层间四粒子（四子）与五粒子（五子）复合物。
• 该系统支持丰富的相关多体态相图，包括可调谐的玻色-费米混合物。
• 三子流体表现出与正电子素离子相似的行为，凸显其在高能物理类比研究中的重要意义。