[论文解读] Tunable bilayer Hubbard model physics in twisted WSe2

Yang Xu, Kaifei Kang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

2D Materials and Applications被引用 10

一句话总结

本研究在扭曲WSe2双层结构中展示了可调谐的双层Hubbard模型物理特性，其中电场和磁场可调控空穴掺杂与层极化。通过调节莫尔能带填充因子，作者观察到在ν=1时从激子绝缘体到电荷转移绝缘体的交叉转变，在ν=2时转变为反铁磁绝缘体，并在1<ν<2区间内发现层选择性Mott绝缘体的证据，其具有巨大的磁电响应，从而实现对关联电子态的精确调控。

ABSTRACT

Moiré materials with flat electronic bands provide a highly controllable quantum system for studies of strong-correlation physics and topology. In particular, angle-aligned heterobilayers of semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) with large band offset realize the single-band Hubbard models. Introduction of a new layer degree of freedom is expected to foster richer interactions, enabling Hund's physics, interlayer exciton condensation and new superconducting pairing mechanisms to name a few. Here, we report competing electronic orders in twisted AB-homobilayer WSe2, which realizes a bilayer Hubbard model in the weak interlayer hopping limit for holes. We characterize the charge order, layer polarization and magnetization of the moiré bilayer, subjected to an out-of-plane electric and magnetic field, by exciton sensing and magneto circular dichroism measurements. By layer-polarizing holes via the electric field, we observe a crossover from an excitonic insulator to a charge-transfer insulator at hole density of $ν$=1 (in unit of moiré density), a transition from a paramagnetic to an antiferromagnetic charge-transfer insulator at $ν$=2, and evidence for a layer-selective Mott insulator at 1&lt;$ν$&lt;2. The unique coupling of charge and spin to external fields also manifests a giant magneto-electric response. Our results establish a new solid-state simulator for problems in strong-correlation physics that are described by bilayer Hubbard models.

研究动机与目标

• 探索在扭曲WSe2异质结中实现的可调谐双层Hubbard模型中的强关联电子物理。
• 研究在外场作用下，莫尔双层结构中层极化、电荷序与磁性之间的相互作用。
• 确立扭曲WSe2作为双层Hubbard模型现象的固态模拟平台。
• 探测Hund's物理和层间激子凝聚等奇异量子相的出现。

提出的方法

• 利用弱层间跃迁的扭曲AB同质双层WSe2，实现空穴的双层Hubbard模型。
• 施加垂直于平面的电场和磁场，以调控空穴密度和层极化。
• 采用激子探测和磁圆二色性（MCD）技术，探测电荷序、层极化和磁化。
• 以莫尔能带填充因子ν（以莫尔态密度为单位）测量相变行为。
• 分析巨大的磁电响应，以建立电荷和自旋自由度与外场之间的关联。
• 系统性地调节空穴密度ν从0到2，以识别不同的关联绝缘相。

实验结果

研究问题

• RQ1 在扭曲WSe2中，通过电场调控层极化，如何驱动在ν=1时从激子绝缘体到电荷转移绝缘体的转变？
• RQ2 在ν=2时，何种磁性和电子序态出现，其与ν=1态有何不同？
• RQ3 在1<ν<2填充范围内，能否稳定层选择性Mott绝缘体，其特征是什么？
• RQ4 电荷和自旋与外部电场和磁场的耦合如何体现为巨大的磁电响应？
• RQ5 扭曲WSe2在多大程度上可作为可调谐平台，用于模拟双层Hubbard模型物理？

主要发现

• 在ν=1时，电场诱导了从激子绝缘体到电荷转移绝缘体的交叉转变，其特征为激子响应和层极化的改变，得到证实。
• 在ν=2时，观察到向反铁磁电荷转移绝缘体的转变，磁圆二色性测量显示出清晰的特征信号。
• 在1<ν<2区间内，发现了层选择性Mott绝缘体的证据，表现为层分辨的电子行为显著不同。
• 观察到巨大的磁电响应，表明电荷/自旋自由度与外场之间存在强耦合。
• 该系统在ν=1和ν=2处展现出可调谐的电子相，可通过电场和磁场精确调控关联电子态。
• 扭曲WSe2作为双层Hubbard模型物理的稳健固态模拟平台，具备可控的电子关联和涌现的量子相。