前沿 | 二维材料，再发Science！- 大数跨境

首页

前沿 | 二维材料，再发Science！

两江科技评论

2023-06-05

导读：加州大学圣芭芭拉分校Chenhao Jin等人报道了在由激子组成的二硒化钨/二硫化钨(WSe2/WS2)叠层超晶格中观察到的玻色关联绝缘体，即紧束缚的电子-空穴对。

特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（学研汇技术中心）

编辑丨风云

在莫尔超晶格中观察到了大量的非常规电子态。然而，工程上类似的玻色子相在很大程度上仍未被探索。

有鉴于此，加州大学圣芭芭拉分校Chenhao Jin等人报道了在由激子组成的二硒化钨/二硫化钨(WSe₂/WS₂)叠层超晶格中观察到的玻色关联绝缘体，即紧束缚的电子-空穴对。作者发展了一种泵浦探测光谱学方法，用于观察激子填充ν_ex=1和电中性时的激子不可压缩态，表明激子的相关绝缘体。随着电荷密度的变化，在电荷填充ν_e=1处，玻色关联绝缘体不断转变为电子关联绝缘体，表明在两个极限之间为混合关联绝缘状态。本研究建立了半导体莫尔超晶格作为工程玻色相的一个有趣的平台。

激子可压缩性的直接测量

作者开发了一种直接测量激子可压缩性的泵-探针光谱复制方法，这是一种电容测量的光学模拟，与传统光学测量不同。在电子电容测量中，直流“泵”门电压调节背景电荷密度，一个小的交流“探针”电压轻微调节电荷密度。类似地，一个相对较强的泵浦光调节背景激子密度，而微弱的探测光注入少量额外的激子并检测它们的响应。在这两种情况下，电荷/激子可压缩性可以直接从在给定的背景粒子密度上增加一个粒子所需的最小能量中获得。

图玻色子相关绝缘子

玻色子的相关绝缘子

作者充分探索了电荷填充和激子填充v_ex所跨越的相图，发现注入的任何额外激子都被迫进入更高的能态。通过将栅极电压V_g固定在电荷中性-0.5 V来处理v_e= 0的情况。图1,D和F显示了泵浦探针的PL和吸收光谱与泵浦光强的关系，这有效地控制了v_ex，表明PL能量的跳跃起源是相关效应。与栅极相关的PL在质量上的相似性表明激子能量跃迁背后有一个相似的起源:一个占据所有可用位置的粒子晶格的出现。为了阐明晶格的性质，比较了对PL和吸收光谱的影响与电子-电子晶格的影响，结果表明泵浦诱导晶格不是由电子形成的。

图混合相关绝缘子

相图研究

为了进一步确认泵浦诱导晶格的激子性质，研究了v_ex > 0和v_e > 0时的相图。所有的图都具有性质相似的行为-层间激子能量显示跳跃。泵注入的粒子将占据先前WS₂中自由电子可用的位置，并与自由电子一起形成混合晶格。除了已经被排除在外的电子本身之外，泵注入粒子的唯一候选是层间激子，它由WS₂层中的一个电子和WSe₂层中的一个空穴组成。对库仑相互作用与动能之比的估计和莫特准则表明本工作的观测具有玻色子莫特绝缘子的性质。

图相图

混合关联绝缘子

为了量化层间激子能量的跳跃，拟合了两个洛伦兹峰，并计算了激子能量变化，在所有栅极电压下都可以明显观察到激子能量的跃迁。为了与理论进行直接比较，通过时间分辨测量校准了整个相位图，进一步支持混合相关绝缘子起源。实验相图与费米子和玻色子两种物质的双组分哈伯德模型的预测非常吻合。作者提出的模型为这种广泛观察到但尚未完全理解的PL掺杂依赖性提供了解释。研究结果为充分理解相图提供了有价值的实验参考，如有限跳变效应、激子-激子相互作用的微观机制及其对激子假自旋的依赖等。