[论文解读] Moiré superlattice in a MoSe$_2$/hBN/MoSe$_2$ heterostructure: from coherent coupling of inter- and intra-layer excitons to correlated Mott-like states of electrons

Yuya Shimazaki, Ido Schwartz+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2019

2D Materials and Applications参考文献 2被引用 62

一句话总结

该论文展示了含 MoSe2/hBN/MoSe2 异质结构的莫尔超晶格，其中通过空穴隧穿实现的跨层和同层激子耦合具有相干性，揭示了多组莫尔子带；激子极化子光谱揭示了在半填充时由相互作用引发的不可压缩的莫特样电子态。

ABSTRACT

Two dimensional materials and their heterostructures constitute a promising platform to study correlated electronic states as well as many body physics of excitons. Here, we present experiments that unite these hitherto separate efforts and show how excitons that are dynamically screened by itinerant electrons to form exciton-polarons, can be used as a spectroscopic tool to study interaction-induced incompressible states of electrons. The MoSe$_2$/hBN/MoSe$_2$ heterostructure that we study exhibits a long-period Moiré superlattice as evidenced by coherent-hole tunneling mediated avoided crossings between the intra-layer exciton with three inter-layer exciton resonances separated by $\sim$ 3meV. For electron densities corresponding to half-filling of the lowest Moiré subband, we observe strong layer-paramagnetism demonstrated by an abrupt transfer of all $\sim$ 1500 electrons from one MoSe$_2$ layer to the other upon application of a small perpendicular electric field. Remarkably, the electronic state at half-filling of each MoSe$_2$ layer is resilient towards charge redistribution by the applied electric field, demonstrating an incompressible Mott-like state of electrons. Our experiments demonstrate that optical spectroscopy provides a powerful tool for investigating strongly correlated electron physics in the bulk and pave the way for investigating Bose-Fermi mixtures of degenerate electrons and dipolar excitons.

研究动机与目标

• 为研究范德瓦耳斯异质结构中相关电子态和激子多体物理学提供一个平台。
• 证明由游离电子动态屏蔽的激子（激子极化子）能够探测由相互作用引发的不可压缩态。
• 演示在莫尔超晶格中通过空穴隧穿实现跨层激子与同层激子之间的相干耦合。
• 识别长周期莫尔子带，并通过光学光谱观测层分辨的电荷配置和负压缩性。

提出的方法

• 制备具有单层 hBN 隧道屏障的 MoSe2/hBN/MoSe2 异质结构，以实现 MoSe2 层之间的相干空穴隧穿。
• 使用双栅极独立控制双层上的电场 Ez 与化学势 μ。
• 在低温（约4 K）下进行光学光谱测量，包括差分反射率 ΔR/R0 和光致发光，以映射激子共振。
• 识别 intra-layer X_top 与 X_bot 与 inter-layer IX 共振之间的避免交叉，以确认莫尔诱导的杂化。
• 跟踪激子极化子共振（RP/AP）及其对电子密度的依赖，以推断层占据情况与不可压缩态。

实验结果

研究问题

• RQ1 MoSe2/hBN/MoSe2 异质结构是否能够容纳一个莫尔超晶格，从而对跨层和同层激子实现相干耦合？
• RQ2 激子极化子光谱如何揭示层分辨的电荷配置并在低电子密度下检测到不可压缩的莫特样态？
• RQ3 作为垂直电场和总填充因子的函数，莫尔子带和层极化跃迁的特征是什么？
• RQ4 是否在最低莫尔子带的半填充时出现与层相关的顺磁性并伴随指示强相关性的突然跨层电荷转移？

主要发现

• 观测到大约3 meV分裂的三个跨层激子共振，显示出相干空穴隧穿以及莫尔诱导的避免交叉与同层激子。
• 证据表明由 hBN 跨层激子具有较长寿命，并鉴定出三条用于间接激子的莫尔子带。
• 激子极化子共振提供灵敏的、层分辨的电子密度探针，并通过跨层电荷转移揭示负压缩性。
• 在最低莫尔子带半填充时（ν ≈ 1/2），在小的垂直场下发生对所有约 1500 个电子的突然跨层转移，指示一个不可压缩的莫特样态。
• X_top 与 X_bot 对 μ 的能量导数呈棋盘格状，证实了逐层填充以及在低密度下莫尔子带的存在。
• 在 ν = 1 时，类似平台的极化子光谱表明两层之间不可压缩态的相互稳定，呈 (1/2,1/2) 配置。