[论文解读] Excitonic density wave and spin-valley superfluid in bilayer transition metal dichalcogenide

Zhen Bi, Liang Fu|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2019

2D Materials and Applications被引用 9

一句话总结

本文提出，在魔角扭曲双层WSe2在半填充时的关联绝缘态是由谷间电子-空穴配对驱动的激子密度波，其强度因费米能级附近的范霍夫奇点而显著增强。该理论解释了该体系对垂直电场的强敏感性（配对破坏）和对垂直磁场的弱响应（非配对破坏），并预测了自旋-谷锁定的超流态，可实现长程自旋输运，可通过全光学自旋注入与成像技术探测。

ABSTRACT

Artificial moiré superlattices in 2d van der Waals heterostructure is a new venue for realizing and controlling correlated electronic phenomena. Recently, twisted bilayer WSe$_2$ emerged as a new robust moiré system hosting a correlated insulator at moiré half-filling over a range of twist angle. In this work, we present a theory of this insulating state as an excitonic density wave due to intervalley electron-hole pairing. We show that exciton condensation is strongly enhanced by a van Hove singularity near the Fermi level. Our theory explains the remarkable sensitivity of the insulating gap to the vertical electric field. In contrast, the gap is weakly reduced by a perpendicular magnetic field, with quadratic dependence at low field. The different responses to electric and magnetic field can be understood in terms of pair-breaking versus non-pair-breaking effects in a BCS analog of the system. We further predict superfluid spin transport in this electrical insulator, which can be detected by optical spin injection and spatial-temporal imaging.

研究动机与目标

• 解释魔角扭曲WSe2双层在莫尔半填充时出现的大而可调的绝缘能隙的起源，该现象违背了传统的莫特绝缘体预期。
• 理解绝缘能隙对垂直电场（显著减小）与垂直磁场（轻微减小）的对比响应机制。
• 确立绝缘态为由谷间电子-空穴配对形成的激子密度波，其配对增强源于费米能级附近的范霍夫奇点。
• 预测由于自旋-谷锁定，该体系支持超流自旋流，从而实现长程相干自旋输运。
• 提出一种全光学实验方案，通过光学自旋注入与时空成像实现对自旋输运的探测。

提出的方法

• 构建了扭曲AA堆叠WSe2双层的莫尔能带结构的低能有效理论，包含自旋-谷锁定和层间隧穿效应。
• 采用类似BCS的平均场理论描述谷间电子-空穴配对，通过自洽求解不同化学势与相互作用强度下的能隙方程。
• 在态密度中引入范霍夫奇点，以解释配对增强与大绝缘能隙的形成。
• 在BCS类比框架下，利用配对破坏（电场）与非配对破坏（磁场）效应分析能隙对外场的响应。
• 推导出激子序参数相位涨落的有效场论，通过自旋波激发模式获得超流速度。
• 提出一种全光学方案，利用圆偏振光实现自旋注入，并通过圆二色性光谱成像技术探测自旋输运动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在半填充时，扭曲WSe2双层中大而可调的绝缘能隙的微观起源是什么？
• RQ2 为何绝缘能隙对垂直电场高度敏感，而对垂直磁场响应微弱？
• RQ3 费米能级附近的范霍夫奇点如何增强谷间电子-空穴配对？
• RQ4 该体系中的激子绝缘态是否也能因自旋-谷锁定而支持超流自旋输运？
• RQ5 在该电绝缘体中，可采用何种实验信号来探测相干自旋输运？

主要发现

• 在半填充时的绝缘态被识别为由谷间电子-空穴配对形成的激子密度波，其能隙因邻近的范霍夫奇点而显著增强。
• 由于配对破坏效应，绝缘能隙对垂直电场高度敏感，与实验观测一致。
• 随着垂直磁场增强，能隙仅表现出二次抑制，表明在主导阶次下为非配对破坏的泽曼耦合。
• 该体系支持自旋-谷锁定的超流态，即使为电绝缘体，仍可实现长程相干自旋输运。
• 预测超流速度与|Δ|^{2/3}成正比，有效场论给出自旋波模式的v = √(c₂/c₁)|Δ|^{2/3}。
• 提出一种全光学方案：利用圆偏振光注入与圆二色性成像，实现实空间与时间维度上自旋输运动力学的探测与测绘。