[论文解读] Excitonic Mott insulator in a Bose-Fermi-Hubbard system of moiré $ m{WS}_2$/$ m{WSe}_2$ heterobilayer

Beini Gao, D. G. Suárez-Forero+14 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2023

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一句话总结

本研究在WS2/WSe2莫尔异质外延结构中实现了一个玻色-费米-Hubbard系统，通过独立调控电子掺杂和光学激发，实现了对费米子与玻色子布居数的控制。关键结果是通过激子不可压缩性观测到玻色子莫特绝缘相，表现为光致发光带隙的出现以及在高泵浦强度下扩散行为的抑制。

ABSTRACT

Understanding the Hubbard model is crucial for investigating various quantum many-body states and its fermionic and bosonic versions have been largely realized separately. Recently, transition metal dichalcogenides heterobilayers have emerged as a promising platform for simulating the rich physics of the Hubbard model. In this work, we explore the interplay between fermionic and bosonic populations, using a $ m{WS}_2$/$ m{WSe}_2$ heterobilayer device that hosts this hybrid particle density. We independently tune the fermionic and bosonic populations by electronic doping and optical injection of electron-hole pairs, respectively. This enables us to form strongly interacting excitons that are manifested in a large energy gap in the photoluminescence spectrum. The incompressibility of excitons is further corroborated by measuring exciton diffusion, which remains constant upon increasing pumping intensity, as opposed to the expected behavior of a weakly interacting gas of bosons, suggesting the formation of a bosonic Mott insulator. We explain our observations using a two-band model including phase space filling. Our system provides a controllable approach to the exploration of quantum many-body effects in the generalized Bose-Fermi-Hubbard model.

研究动机与目标

• 利用二维过渡金属二硫属化合物异质外延结构实现并探索广义玻色-费米-Hubbard模型中的量子多体效应。
• 通过栅压和光学泵浦独立控制费米子（电子）与玻色子（激子）的布居数。
• 研究强关联态的出现，特别是层间激子玻色子莫特绝缘相的形成。
• 通过光致发光光谱与扩散动力学探测激子态的不可压缩性。

提出的方法

• 采用具有对称上下栅的双栅WS2/WSe2异质外延器件，通过静电掺杂调节电子填充因子（νe）。
• 利用脉冲光学激发产生并控制层间激子的布居数，泵浦强度作为玻色子填充的控制参数。
• 通过测量光致发光（PL）光谱检测反映多体局域化与不可压缩性的能隙。
• 通过分析不同泵浦强度下PL强度饱和与空间展宽，监测激子扩散行为。
• 应用包含态空间填充效应的双能带模型，解释观测到的不可压缩性与能隙形成。
• 利用WS2/WSe2的II型能带排列，通过莫尔超晶格中的电子-空穴配对稳定层间激子。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在具有费米子与玻色子布居数独立调控能力的二维莫尔异质结构中实现玻色-费米-Hubbard系统？
• RQ2 强相互作用激子的形成是否会在玻色子通道中导致莫特绝缘相？
• RQ3 激子的不可压缩性在光致发光与扩散动力学中如何体现？
• RQ4 态空间填充在稳定不可压缩激子态中起何种作用？

主要发现

• 在高光学泵浦强度下，光致发光光谱中观测到较大的能隙，表明形成了强关联、不可压缩的激子态。
• 随着泵浦强度增加，激子扩散被抑制，与弱相互作用玻色气体的预期行为相反，表明玻色子莫特绝缘相的形成。
• 当激子填充接近整数时，系统明显表现出从可压缩激子气向不可压缩莫特绝缘相的转变。
• 光致发光强度饱和现象证实了不可压缩性，与单占据涨落的抑制一致。
• 包含态空间填充的双能带模型成功解释了观测到的能隙与扩散抑制现象。
• 该系统为在具有费米子与玻色子自由度混合的广义玻色-费米-Hubbard模型中探索量子多体物理提供了可调平台。