中科院&康奈尔 Nat. Nanotechnol.：扭曲WSe2中的可调谐双层Hubbard模型

【导读】

在过渡金属二硫化物（transition metal dichalcogenide, TMD）的双层同质节中，层间耦合强烈依赖于双层之间的扭转角。在位于布里渊区（Brillouin zone）K点和-K点的价带边缘附近具有自旋谷锁定的特性，各单层能带自旋极化，且自旋劈裂较大。对于接近0°附近（或AA堆叠）的转角双层同质节，其层间能带的杂化耦合是强烈的。对于60°附近（或AB堆叠）的转角双层同质节，层间的单粒子隧穿是自旋禁止的。在该限制下，层的自由度可以被认为是赝自旋，与真实自旋一起形成SU(4)对称性。最近的理论研究提出在转角的TMD AB双层同质节中模拟SU(4) Hubbard模型，可能会产生手性自旋液体和激子超固相。然而，该模型的实验实现以及电荷、层和自旋相关性的表征仍然难以捉摸。

【成果掠影】

近日，中科院物理研究所许杨特聘研究员、美国康奈尔大学Jie Shan和Kin Fai Mak（共同通讯作者）等人报道了转角的AB同质双层WSe2中的竞争电子态，其在空穴的弱层间跳跃极限中实现了双层Hubbard模型。通过垂直电场对空穴进行层极化，在空穴密度为ν = 1时（以莫尔密度为单位），作者观察到了体系从激子绝缘体到电荷转移绝缘体的过渡；在ν = 2时从顺磁性到反铁磁性的转变，以及在1 < ν < 2时层选择性Mott绝缘体的证据。值得注意的是，电荷和自旋与外部电场和磁场的独特耦合也表现出巨大的磁电响应。该研究结果为双层Hubbard模型哈密顿量建立了一个新的固态仿真器。研究成果以题为“A tunable bilayer Hubbard model in twisted WSe₂”发布在国际著名期刊Nature Nanotechnology上。

【核心创新】

利用转角的AB同质双层WSe2中的竞争电子态，实现了双层Hubbard模型，并利用该体系验证了不同空穴密度下的关联电子物态的自旋与赝自旋调控。

【数据概览】

图一、转角的WSe₂ AB双层同质节©2022 Springer Nature Limited
（a）扭曲的WSe₂双层表现出三种类型的高对称堆叠位点MX、MM和XX（M = W和X = Se），扭转角δ ≈ 58°；

（b）双门控WSe₂莫尔双层器件的示意图；

（c）WSe₂ AB同质层顶部和底部层中-K和K谷的空穴自旋排列；

（d）双层Hubbard模型的图示，其中层内跃迁能远小于层内和层间在位排斥能；

（e）带有“激子探测”传感器的器件的反射对比度（ΔR/R₀）光谱与顶栅电压的关系。

图二、电场控制层极化©2022 Springer Nature Limited
（a-b）在ν = 1处传感器2s激子的反射对比光谱和在ν = 2处扭转双层的莫尔激子的电场依赖性；

（c）由激子传感器确定的E_c（符号）的掺杂依赖性；

（d）在1.70 eV处扭曲双层的莫尔激子共振附近平均反射率对比度随面外电场和掺杂浓度的变化。

图三、磁性©2022 Springer Nature Limited
（a-c）在ν = 1、ν = 1.6和ν = 2下，磁圆二色性MCD随磁场变化的温度依赖关系；

（d-f）在ν = 1、ν = 1.6和ν = 2下的逆磁化率的温度依赖性。

图四、局部矩和反铁磁团簇©2022 Springer Nature Limited
（a）B = 2  T处，MCD作为电场和掺杂密度/填充因子的函数；

（b）MCD的掺杂依赖性曲线，其中P = 0（蓝色）和P = 1（黑色）。

【成果启示】

综上所述，作者在AB扭曲的WSe₂中揭示了丰富的相关电子现象和竞争状态。作者期望在其他扭曲的TMD AB同质层（扭曲的MoSe₂或MoTe₂等）、具有小带偏移的角度对齐的异质双层（MoSe₂/WS₂等）和更复杂的多层TMD异质结中具有类似物理或更丰富的现象。该平台还提供了实现其他新奇物质状态的机会，例如量子自旋液体和激子超固体。

文献链接：A tunable bilayer Hubbard model in twisted WSe₂. Nature Nanotechnology, 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01180-7.

本文由CQR编译。

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