中科院&康奈爾 Nat. Nanotechnol.：扭曲WSe2中的可調諧雙層Hubbard模型

【導讀】

在過渡金屬二硫化物（transition metal dichalcogenide, TMD）的雙層同質節中，層間耦合強烈依賴于雙層之間的扭轉角。在位于布里淵區（Brillouin zone）K點和-K點的價帶邊緣附近具有自旋谷鎖定的特性，各單層能帶自旋極化，且自旋劈裂較大。對于接近0°附近（或AA堆疊）的轉角雙層同質節，其層間能帶的雜化耦合是強烈的。對于60°附近（或AB堆疊）的轉角雙層同質節，層間的單粒子隧穿是自旋禁止的。在該限制下，層的自由度可以被認為是贗自旋，與真實自旋一起形成SU(4)對稱性。最近的理論研究提出在轉角的TMD AB雙層同質節中模擬SU(4) Hubbard模型，可能會產生手性自旋液體和激子超固相。然而，該模型的實驗實現以及電荷、層和自旋相關性的表征仍然難以捉摸。

【成果掠影】

近日，中科院物理研究所許楊特聘研究員、美國康奈爾大學Jie Shan和Kin Fai Mak（共同通訊作者）等人報道了轉角的AB同質雙層WSe2中的競爭電子態，其在空穴的弱層間跳躍極限中實現了雙層Hubbard模型。通過垂直電場對空穴進行層極化，在空穴密度為ν?=?1時（以莫爾密度為單位），作者觀察到了體系從激子絕緣體到電荷轉移絕緣體的過渡；在ν?=?2時從順磁性到反鐵磁性的轉變，以及在1?<?ν?<?2時層選擇性Mott絕緣體的證據。值得注意的是，電荷和自旋與外部電場和磁場的獨特耦合也表現出巨大的磁電響應。該研究結果為雙層Hubbard模型哈密頓量建立了一個新的固態仿真器。研究成果以題為“A tunable bilayer Hubbard model in twisted WSe₂”發布在國際著名期刊Nature Nanotechnology上。

【核心創新】

利用轉角的AB同質雙層WSe2中的競爭電子態，實現了雙層Hubbard模型，并利用該體系驗證了不同空穴密度下的關聯電子物態的自旋與贗自旋調控。

【數據概覽】

圖一、轉角的WSe₂ AB雙層同質節?2022 Springer Nature Limited
（a）扭曲的WSe₂雙層表現出三種類型的高對稱堆疊位點MX、MM和XX（M?=?W和X?=?Se），扭轉角δ?≈?58°；

（b）雙門控WSe₂莫爾雙層器件的示意圖；

（c）WSe₂ AB同質層頂部和底部層中-K和K谷的空穴自旋排列；

（d）雙層Hubbard模型的圖示，其中層內躍遷能遠小于層內和層間在位排斥能；

（e）帶有“激子探測”傳感器的器件的反射對比度（ΔR/R₀）光譜與頂柵電壓的關系。

圖二、電場控制層極化?2022 Springer Nature Limited
（a-b）在ν?=?1處傳感器2s激子的反射對比光譜和在ν?=?2處扭轉雙層的莫爾激子的電場依賴性；

（c）由激子傳感器確定的E_c（符號）的摻雜依賴性；

（d）在1.70?eV處扭曲雙層的莫爾激子共振附近平均反射率對比度隨面外電場和摻雜濃度的變化。

圖三、磁性?2022 Springer Nature Limited
（a-c）在ν?=?1、ν?=?1.6和ν?=?2下，磁圓二色性MCD隨磁場變化的溫度依賴關系；

（d-f）在ν?=?1、ν?=?1.6和ν?=?2下的逆磁化率的溫度依賴性。

圖四、局部矩和反鐵磁團簇?2022 Springer Nature Limited
（a）B?=?2 ?T處，MCD作為電場和摻雜密度/填充因子的函數；

（b）MCD的摻雜依賴性曲線，其中P?=?0（藍色）和P?=?1（黑色）。

【成果啟示】

綜上所述，作者在AB扭曲的WSe₂中揭示了豐富的相關電子現象和競爭狀態。作者期望在其他扭曲的TMD AB同質層（扭曲的MoSe₂或MoTe₂等）、具有小帶偏移的角度對齊的異質雙層（MoSe₂/WS₂等）和更復雜的多層TMD異質結中具有類似物理或更豐富的現象。該平臺還提供了實現其他新奇物質狀態的機會，例如量子自旋液體和激子超固體。

文獻鏈接：A tunable bilayer Hubbard model in twisted WSe₂. Nature Nanotechnology, 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01180-7.

本文由CQR編譯。

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