[论文解读] Hofstadter states and reentrant charge order in a semiconductor moiré lattice

Carlos R. Kometter, Jiachen Yu+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2022

2D Materials and Applications参考文献 10被引用 4

一句话总结

本研究报道了在扭曲的WSe2/MoSe2异质结中，霍夫施塔特态（陈绝缘体）与再入电荷有序态共存与竞争的现象，其中通过电子密度和磁场调控了平带与色散的莫尔能带。通过局域电子压缩率测量，作者观察到霍夫施塔特态与广义的维格纳晶体相互穿插，再入电荷有序态由多带中的空穴结晶驱动，揭示了在半导体莫尔晶格中可通过能带工程与磁场调控实现可调的量子相。

ABSTRACT

The emergence of moiré materials with flat bands provides a platform to systematically investigate and precisely control correlated electronic phases. Here, we report local electronic compressibility measurements of a twisted WSe$_2$/MoSe$_2$ heterobilayer which reveal a rich phase diagram of interpenetrating Hofstadter states and electron solids. We show that this reflects the presence of both flat and dispersive moiré bands whose relative energies, and therefore occupations, are tuned by density and magnetic field. At low densities, competition between moiré bands leads to a transition from commensurate arrangements of singlets at doubly occupied sites to triplet configurations at high fields. Hofstadter states (i.e., Chern insulators) are generally favored at high densities as dispersive bands are populated, but are suppressed by an intervening region of reentrant charge-ordered states in which holes originating from multiple bands cooperatively crystallize. Our results reveal the key microscopic ingredients that favor distinct correlated ground states in semiconductor moiré systems, and they demonstrate an emergent lattice model system in which both interactions and band dispersion can be experimentally controlled.

研究动机与目标

• 研究半导体异质结中平带与色散莫尔能带之间的相互作用及其在稳定相关电子态中的作用。
• 探索可调莫尔超晶格中晶体（电荷有序）态与流体（霍夫施塔特）态之间的竞争关系。
• 确定磁场与载流子密度如何调控莫尔能带的能级排序并诱导相变。
• 阐明涉及多带空穴的再入电荷有序态背后的微观机制。
• 确立半导体莫尔系统作为研究不同相关基态之间相变的平台。

提出的方法

• 采用扫描单电子晶体管（SET）测量，绘制局域电子压缩率随栅压（载流子密度）和磁场的变化关系。
• 利用具有小晶格失配的扭曲WSe2/MoSe2异质结，生成具有可调平带与色散能带的长周期莫尔超晶格。
• 通过测量dμ/dn（压缩率）识别出代表相关相的不可压缩态，包括霍夫施塔特态与电荷有序晶体。
• 分析不可压缩态对每单位莫尔元胞磁通量及填充因子ν的依赖关系，以识别陈数与子能带占据。
• 将实验观测与单粒子霍夫施塔特计算进行比较，识别出偏离单粒子行为的强电子关联效应。
• 通过载流子密度与磁场绘制相变图，揭示非单调的能带重排与相互穿插的量子相。

实验结果

研究问题

• RQ1 平带与色散莫尔能带如何共存与竞争，以在半导体莫尔晶格中稳定不同的相关相？
• RQ2 磁场与载流子密度在调控莫尔子能带能级排序及诱导相变中起什么作用？
• RQ3 霍夫施塔特态与电荷有序态能否在单一莫尔系统中共存或相互穿插，其共存条件是什么？
• RQ4 在中等磁场下观察到的再入电荷有序态由何引起，多带中的空穴如何贡献于该态？
• RQ5 电子关联在多大程度上改变了该系统中单粒子霍夫施塔特谱？

主要发现

• 在中等磁场与中间载流子密度下观察到再入电荷有序态，其由平带与色散莫尔能带中空穴的集体结晶形成。
• 在高磁通下识别出具有陈数t = 1, 2, ..., 6的相互穿插霍夫施塔特态，表明由电子关联驱动的能带重排。
• 在高空穴掺杂（ν < -4）下观察到多个不可压缩态（s = -1, -2, -3, -4, -5），显著偏离单粒子预测。
• 压缩率图样揭示了相变级联，能隙随磁场变化而关闭与重新打开，尤其在ν = -3, -3/2, -4附近明显。
• 观察到非单调的能带填充与子能带重排，表明强关联效应使霍夫施塔特谱发生重塑，超出单粒子预期。
• 该系统展现出丰富的相图，包含竞争相，如双子的广义维格纳晶体与陈绝缘体，可通过载流子密度与磁场进行调控。