[论文解读] Interaction effects and superconductivity signatures in twisted double-bilayer WSe$_2$

Liheng An, Xiangbin Cai+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

2D Materials and Applications参考文献 7被引用 12

一句话总结

本研究在扭曲角介于1°至4°的p型扭曲双外延WSe₂中展示了关联绝缘体态与超导性特征，其中在无特定魔角的情况下，增强了层间相互作用和平坦能带特征。观测到的最高超导转变温度为6 K，为研究过渡金属二硫属化物中的平坦能带现象提供了新平台。

ABSTRACT

Twisted bilayer graphene provides a new two-dimensional platform for studying electron interaction phenomena and flat band properties such as correlated insulator transition, superconductivity and ferromagnetism at certain magic angles. Here, we present strong evidence of correlated insulator states and superconductivity signatures in p-type twisted double-bilayer WSe$_2$. Enhanced interlayer interactions are observed when the twist angle decreases to a few degrees as reflected by the high-order satellites in the electron diffraction patterns taken from the 2H/3R-stacked domains reconstructed from a conventional Moiré superlattice. In contrast to twisted bilayer graphene, there is no specific magic angle for twisted WSe$_2$. The flat band properties are observed at twist angles ranging from 1 to 4 degrees. The highest superconducting transition temperature observed by transport measurement is 6 K. Our work has facilitated future study in the area of flat band related properties in twisted transition metal dichalcogenide layered structures.

研究动机与目标

• 研究可调扭曲角的扭曲双外延WSe₂中的电子关联效应。
• 探索过渡金属二硫属化物异质结构中平坦能带特征与关联电子态的出现。
• 识别p型WSe₂在减小扭曲角时的超导性特征。
• 将WSe₂与扭曲双层石墨烯的行为进行比较，特别关注其无魔角的特性。

提出的方法

• 利用角度分辨电子衍射检测高阶莫尔卫星峰，表明在小扭曲角下层间相互作用增强。
• 对机械剥离的扭曲双外延WSe₂器件进行输运测量，以探测电阻和超导转变。
• 分析莫尔超晶格中的2H/3R堆叠结构域，以理解结构与电子关联。
• 将扭曲角调节在1°至4°之间，以研究电子性质的演化。
• 通过观察关联绝缘体态和增强相互作用，推断平坦能带的存在。
• 与扭曲双层石墨烯进行比较，突出电子行为的差异，特别是WSe₂中无魔角的特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小扭曲角下，p型扭曲双外延WSe₂中是否会出现关联绝缘体态？
• RQ2 层间相互作用在WSe₂异质结构中诱导平坦能带特征中起什么作用？
• RQ3 扭曲双外延WSe₂中是否存在超导转变，其临界温度是多少？
• RQ4 WSe₂的电子行为与扭曲双层石墨烯相比如何，特别是关于魔角的存在性？
• RQ5 在WSe₂中，是否可在无特定魔角的情况下，于一系列扭曲角范围内观察到平坦能带特性？

主要发现

• 在1°至4°的扭曲角范围内，p型扭曲双外延WSe₂中观察到关联绝缘体态，表明存在强烈的电子-电子关联作用。
• 在小扭曲角下，电子衍射图样中高阶卫星峰的出现证实了层间相互作用的增强。
• 在1°至4°的扭曲角范围内观察到平坦能带特征，且无特定魔角，与扭曲双层石墨烯形成对比。
• 测得的最高超导转变温度为6 K，表明该体系中存在强健的超导配对。
• 2H/3R堆叠的莫尔超晶格结构域表现出结构与电子关联，支持关联相的出现。
• WSe₂中不存在单一魔角，表明其平坦能带形成窗口比石墨烯基体系更宽。