Correlated interlayer exciton insulator in heterostructures of monolayer WSe2 and moiré WS2/WSe2

单层 凝聚态物理 激子 异质结 莫特绝缘子 绝缘体(电) 电子 范德瓦尔斯力 双层 物理 三极管 库仑 材料科学 纳米技术 光电子学 化学 量子力学 生物化学 分子
作者
Zuocheng Zhang,Emma C. Regan,Danqing Wang,Wenyu Zhao,Shaoxin Wang,Mohammed Sayyad,Kentaro Yumigeta,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Sefaattin Tongay,Michael F. Crommie,Alex Zettl,Michael P. Zaletel,Feng Wang
出处
期刊:Nature Physics [Springer Nature]
卷期号:18 (10): 1214-1220 被引量:85
标识
DOI:10.1038/s41567-022-01702-z
摘要

Moiré superlattices in van der Waals heterostructures have emerged as a powerful tool for engineering quantum phenomena. Here we report the observation of a correlated interlayer exciton insulator in a double-layer heterostructure composed of a WSe2 monolayer and a WS2/WSe2 moiré bilayer that are separated by ultrathin hexagonal boron nitride. The moiré WS2/WSe2 bilayer features a Mott insulator state when the density of holes is one per moiré lattice site. When electrons are added to the Mott insulator in the WS2/WSe2 moiré bilayer and an equal number of holes are injected into the WSe2 monolayer, a new interlayer exciton insulator emerges with the holes in the WSe2 monolayer and the electrons in the doped Mott insulator bound together through interlayer Coulomb interactions. The interlayer exciton insulator is stable up to a critical hole density in the WSe2 monolayer, beyond which the interlayer exciton dissociates. Our study highlights the opportunities for realizing quantum phases in double-layer moiré systems due to the interplay between the moiré flat band and strong interlayer electron interactions. When independent layers of electrons and holes are in close proximity to each other, their Coulomb interaction allows them to pair into neutral bosons and form an insulating state. This phenomenon is reported in a heterostructure of 2D materials.

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