[论文解读] Magic continuum in twisted bilayer WSe2

Lei Wang, En-Min Shih+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2019

2D Materials and Applications参考文献 34被引用 115

一句话总结

本文展示了在扭曲双层 WSe2 中的相关绝缘与超导现象，覆盖扭曲角度的连续范围（4° 至 5.1°），可通过位移场调控，与在莫尔晶格上的单带哈伯模型相一致。它在半充填时显示莫特型绝缘体，并在某些角度附近掺杂时有超导性的证据。

ABSTRACT

Emergent quantum phases driven by electronic interactions can manifest in materials with narrowly dispersing, i.e. "flat", energy bands. Recently, flat bands have been realized in a variety of graphene-based heterostructures using the tuning parameters of twist angle, layer stacking and pressure, and resulting in correlated insulator and superconducting states. Here we report the experimental observation of similar correlated phenomena in twisted bilayer tungsten diselenide (tWSe2), a semiconducting transition metal dichalcogenide (TMD). Unlike twisted bilayer graphene where the flat band appears only within a narrow range around a "magic angle", we observe correlated states over a continuum of angles, spanning 4 degree to 5.1 degree. A Mott-like insulator appears at half band filling that can be sensitively tuned with displacement field. Hall measurements supported by ab initio calculations suggest that the strength of the insulator is driven by the density of states at half filling, consistent with a 2D Hubbard model in a regime of moderate interactions. At 5.1 degree twist, we observe evidence of superconductivity upon doping away from half filling, reaching zero resistivity around 3 K. Our results establish twisted bilayer TMDs as a model system to study interaction-driven phenomena in flat bands with dynamically tunable interactions.

研究动机与目标

• 在扭曲图形以外的平带中，使用扭曲双层 WSe2 作为可调节的半导体莫尔耗散系统，推动对相互作用驱动相的研究。
• 研究在广泛扭曲角范围内是否存在相关绝缘体与超导性，以及位移场如何调制这些状态。
• 将传输观测与带结构特征（如态密度和范霍夫奇点）联系起来，以理解相关性强度。

提出的方法

• 使用撕开并叠层法制备具有受控扭曲角的扭曲双层 WSe2 设备，并应用双栅实现位移场调控。
• 测量传输性质（电阻对载流子密度、温度、磁场的响应），以识别相关绝缘和超导特征。
• 进行霍尔测量和高场兰道风分析，以定位带边、全填充和范霍夫奇点，并将其与 DOS 联系起来。
• 进行密度泛函理论（DFT）与紧束缚计算，以绘制随角度和位移场变化的带结构和 DOS。
• 应用平均场哈伯模型的理念来解释绝缘间隙及其场依赖性，并与实验 DOS 趋势进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 扭曲双层 WSe2 是否在经实验观测的范围内的扭曲角度上拥有半填充时的相关绝缘体？
• RQ2 位移场如何影响绝缘隙以及 tWSe2 中金属性或超导性出现？
• RQ3 在半填充以外掺杂时是否会出现超导性，以及它如何依赖扭曲角与场？
• RQ4 范霍夫奇点及 DOS 在稳定 tWSe2 的相关驱动相中起到怎样的作用？
• RQ5 观察到的行为与在三角莫尔晶格上的单带哈伯模型预期有何比较？

主要发现

• 在 4° 至 5.1° 的连续扭曲角范围内，半填充时的相关绝缘体仍然存在，并可被位移场调制。
• 该绝缘体表现出热活化行为，在至少一个器件中具有约 23 K 的带隙，与莫特型相变一致。
• 范霍夫奇点的位置与半填充附近的 DOS 与位移场变化对绝缘态强度的相关性显现。
• 在 5.1° 时，掺杂离半填充后存在超导性的证据，在某些调控区间的零电阻接近 3 K。
• 霍尔测量显示存在单一低能莫尔子带，填充改变时电子型到空穴型的跃迁，vHS 与位移场一致跟踪。
• DFT 与平均场建模在定性层面再现了 DOS 和带隙随角度与场的演化，支持中等耦合的哈伯模型图景。