摩尔超晶格中激发子绝缘体的证据

双层系统由莫特绝缘子（顶层）和带状绝缘体（WSe）组成2单层）。莫特绝缘子每个摩尔纹晶格位点有一个孔，带状绝缘子是固有的。我们将电子添加到莫特绝缘体中，并将相同数量的空穴添加到WSe中2单层。世界科学园的孔洞2单层将避免在摩尔纹晶格位下方的位置，由于强烈的层间库仑相互作用而被孔占据。在相对于莫特绝缘体的粒子- 空穴转变之后，掺杂到莫特绝缘体中的电子可以自发地结合莫特绝缘体中的空穴。图片来源：张等

激子是准粒子，当电子被提升到更高的能带时，在绝缘体或半导体中形成，留下带正电的空穴。

在强库仑相互作用的存在下，电子和空穴（由带正电的准粒子看到的电子留下的空位）形成紧密结合的电子 - 空穴对，称为激子。

这个过程导致电子和空穴结合在一起，产生激子，其本质上是一种移动的能量集中，其行为类似于粒子。激子在光学激发的半导体中无处不在。然而，在极少数情况下，它们可以自发地在小带隙半导体或半金属中形成。

在20世纪60年代，物理学家内维尔·莫特（Nevill Mott）提出了一个有趣的理论假设，提出如果材料的能带结构以特定的方式进行调整（即，在某些点上，上层能级低于下层能级），那么系统的基态将包含激子。这种系统中的激子将带中性电荷，因此该材料可以归类为绝缘体。

虽然许多物理学家都建立在莫特有趣的假设之上，但到目前为止，它从未在实验环境中得到证实。直到去年，普林斯顿大学和华盛顿大学的两个不同的研究小组收集了单层二氢呋喃钨中兴奋性绝缘状态的第一个实验证据。

最近，另外两个研究小组的研究表明，使用所谓的摩尔超晶格产生兴奋性绝缘体。摩尔纹超晶格是异质结构，其特征在于2D层堆叠在一起，具有扭曲角或晶格不匹配。这些研究中的第一项由加州大学伯克利分校的研究小组进行并发表在《自然物理学》上，报告了在由WSe组成的异质结构中观察到相关的层间激子绝缘状态。2单层和 WS2/WSe2摩尔纹双层。

“由N.F. Mott于1961年首次提出的激发子绝缘体已经在量子霍尔双层系统中得到证明，其中强磁场中的朗道能级是抑制动能并增强电子空穴相关性的平坦电子能带。

进行另一项研究的加州大学伯克利分校研究人员之一张作成告诉 Phys.org。“我们考虑了是否可以在零磁场下实现层间激子绝缘体。

摩尔纹超晶格是被广泛研究的结构，也被称为平坦的电子波段。Zhang和他的同事们决定将摩尔纹超晶格整合到一个双层系统中，然后在零磁场下寻找激发子绝缘状态。

“我们实现了由WS组成的双层异质结构。2/西2摩尔纹双层和 WSe2单层，“张解释说。“1纳米厚的hBN将这两层分开。我们堆叠了摩尔纹双层，绝缘hBN层和WSe2单层通过使用基于聚合物的尝试转移技术。

另一组在摩尔纹超晶格中观察兴奋性绝缘体的小组包括来自美国，中国和日本不同研究所的研究人员，包括伦斯勒理工学院，中国电子科学技术大学，加州大学河滨分校，德克萨斯大学达拉斯分校，亚利桑那州立大学和日本国家材料科学研究所。这项大型研究合作专门使用了天然双层WSe2和一个单层WS2来构建三层激子绝缘体。

显示EI状态的示意图，有效电子和空穴占据WSe的不同层2.图片来源：陈等

“我们研究的目标是证明一种新的绝缘状态，这是50多年前由列昂尼德·凯尔迪什（Leonid Keldysh）和其他人提出的，”进行这项研究的研究人员之一Sufei Shi告诉 Phys.org。“据预测，在小带隙半导体或半金属中，共存的电子和空穴将在库仑相互作用很强时自发结合，形成绝缘基态，兴奋式绝缘体。这种状态被认为与准粒子（BCS铜对）有一些相似之处，这些准粒子会产生超导性，并可能导致宏观相干现象。

Shi和他的同事们最近工作的主要目标是使用2D材料创建一个强大的激通式绝缘体系统。这些材料被组合在一起，形成一个新的周期性结构，使用带工程技术。

“我们选择天然双层WSe的组合2和一个单层WS2来构建一个三层激子绝缘体，“Shi说。“这两种材料都是通过机械去角质获得的（与获得石墨烯的技术相同）。

在获得系统的材料后，研究人员将它们组装成一个摩尔纹超晶格，精确控制层之间的扭曲角度（即0或60度）。然后，他们试图对其进行工程设计，使其同时具有电子和空穴，以实现激发子绝缘体状态。

“在摩尔纹系统中，在WSe之间的界面处形成一个平坦的能量带。2和WS2，它允许我们调整载流子极性，即载流子在波段顶部附近是空穴状的，在波段底部附近是电子状的，“来自加州大学河滨分校的崔永涛教授说， 他是第二部工作的资深作者。

“WSe 的附加层2贡献一个孔带。因此，通过使用电场，我们可以将平坦的摩尔纹带调谐到宿主电子，而空穴位于第二个WSe中。2乐队。这创造了共存的电子和空穴的条件，它们强烈相互作用以形成兴奋性绝缘体状态。这一假设也得到了张传伟教授在UT达拉斯小组的计算的证实。

张和他的同事在加州大学伯克利分校（UC Berkeley）演示了新的相关层间激子绝缘体，其中包括带状绝缘子的孔（在WSe中2莫特绝缘体的单层）和电子（在WS2 / WSe中）2摩尔纹双层）。另一方面，Shi和他的同事们所展示的绝缘体状态是基于自然的WSe。2双层和 WS2 单层。

“我们的研究强调了在双层摩尔纹系统中探索新量子现象的机会，”张补充说。“我们系统中的层间激子可以在足够低的温度下形成激子冷凝物。我们现在计划进行进一步的实验，旨在证明激子超流体性。

这两个研究小组最近的研究强调了双层摩尔纹系统作为实现量子相的平台的潜力。在未来，他们可以为更多的研究铺平道路，使用摩尔超晶格来研究2D相关的多体物理学。

“我们已经构建了一个强大的励磁绝缘体，其转变温度高达90 K，”Shi补充道。“该系统还具有高度可调的电场。这种强大的EI系统使EI的未来研究成为可能，特别是在新的量子态及其宏观相干效应上。例如，我们将探索激子的超流动性。

更多信息：陈东雪等，异质结摩尔超晶格中的激子绝缘体，自然物理学（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01703-y

张作成等， 单层WSe2和摩尔纹WS2/WSe2异质结构中的相关层间激子绝缘体， 自然物理学（2022）.DOI： 10.1038/s41567-022-01702-z

L. Wang等，二维材料的一维电接触，科学（2013）。DOI： 10.1126/科学.1244358

N.F.莫特，向金属状态的过渡。哲学杂志：理论实验与应用物理学杂志（1961年）。DOI：10.1080/14786436108243318