[论文解读] Topological Exciton Bands in Moiré Heterojunctions

Fengcheng Wu, Timothy Lovorn+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2016

Molecular Junctions and Nanostructures被引用 6

一句话总结

该论文提出，通过结合三种要素——电子-空穴交换产生的谷贝里相位、莫尔周期势和谷Zeeman场，扭曲的过渡金属二硫属化物（TMD）双层中的莫尔条纹可调控具有非零陈数的拓扑激子能带。关键结果是出现支持单向激子输运的螺旋激子边缘态，从而实现对二维范德华异质结构中光-物质相互作用的拓扑调控。

ABSTRACT

Moiré patterns are common in Van der Waals heterostructures and can be used to apply periodic potentials to elementary excitations. We show that the optical absorption spectrum of transition metal dichalcogenide bilayers is profoundly altered by long period moiré patterns that introduce twist-angle dependent satellite excitonic peaks. Topological exciton bands with non-zero Chern numbers that support chiral excitonic edge states can be engineered by combining three ingredients: i) the valley Berry phase induced by electron-hole exchange interactions, ii) the moiré potential, and iii) the valley Zeeman field.

研究动机与目标

• 探讨扭曲TMD双层中的莫尔超晶格如何通过周期势调控光学吸收谱。
• 证明可在二维范德华异质结构中工程化实现具有量化陈数的拓扑激子能带。
• 识别实现螺旋激子边缘态所必需的条件——谷贝里相位、莫尔势和Zeeman场。
• 建立在二维半导体中光学调控拓扑集体激发的实际路径。

提出的方法

• 利用小扭转角和面内位移导出的莫尔超晶格势，对扭曲MoS2/WS2双层中的激子态进行建模。
• 引入谷依赖的交换相互作用，以诱导动量空间中的2π贝里相位，类比于激子的自旋-轨道耦合。
• 施加谷Zeeman场以打破时间反演对称性并解除简并，从而实现非平凡的拓扑不变量。
• 在莫尔布里渊区内使用紧束缚哈密顿量计算激子能带及其陈数。
• 采用线性响应理论形式，结合空间分辨的矩阵元，计算光学电导率，同时考虑边缘和体相贡献。
• 通过有限宽度条带几何结构进行数值模拟，以分离边缘态的光学响应，使用经验展宽参数η = 1 meV。

实验结果

研究问题

• RQ1 TMD异质结中的莫尔条纹是否能在激子谱中诱导拓扑能带？
• RQ2 哪些物理效应的组合——贝里相位、周期势和Zeeman场——是实现在激子能带中非零陈数的必要条件？
• RQ3 拓扑激子能带是否支持具有增强光学响应的螺旋边缘态？
• RQ4 光学吸收谱如何反映激子能带的扭转角和拓扑特性？
• RQ5 边缘态是否可表现出与体相激子峰量级相当的局域光学电导率？

主要发现

• 当谷贝里相位、莫尔势和Zeeman场同时存在时，扭曲TMD双层中可实现具有非零陈数的拓扑激子能带。
• 该系统表现出支持光学激发激子单向输运的螺旋激子边缘态。
• 光学电导率计算显示边缘附近存在局域增强，最大响应可达体相峰幅值的约0.19倍。
• 尽管存在有限展宽（η = 1 meV），边缘态的光学响应与体响应量级相当，证实其可观测性。
• 光学吸收谱中的卫星峰随扭转角移动，为莫尔诱导的能带结构提供了可观测的特征。
• 光学矩阵元标度分析表明，横向扩展较小的边缘态可产生强烈的局域光学响应。