Anomalous Interlayer Exciton Diffusion in Twist-Angle-Dependent Moiré Potentials of WS$_2$-WSe$_2$ Heterobilayers

激子 凝聚态物理 异质结 物理 人口 比克西顿 材料科学 范德瓦尔斯力 分子物理学 量子力学 分子 社会学 人口学
作者
Long Yuan,Biyuan Zheng,Jens Kunstmann,Thomas Brumme,Agnieszka Kuc,Chao Ma,Shibin Deng,Daria D. Blach,Anlian Pan,Libai Huang
出处
期刊:Cornell University - arXiv 被引量:48
标识
DOI:10.48550/arxiv.1910.02869
摘要

The nanoscale periodic potentials introduced by moiré patterns in semiconducting van der Waals (vdW) heterostructures provide a new platform for designing exciton superlattices. To realize these applications, a thorough understanding of the localization and delocalization of interlayer excitons in the moiré potentials is necessary. Here, we investigated interlayer exciton dynamics and transport modulated by the moiré potentials in WS$_2$-WSe$_2$ heterobilayers in time, space, and momentum domains using transient absorption microscopy combined with first-principles calculations. Experimental results verified the theoretical prediction of energetically favorable K-Q interlayer excitons and unraveled exciton-population dynamics that was controlled by the twist-angle-dependent energy difference between the K-Q and K-K excitons. Spatially- and temporally-resolved exciton-population imaging directly visualizes exciton localization by twist-angle-dependent moiré potentials of ~100 meV. Exciton transport deviates significantly from normal diffusion due to the interplay between the moiré potentials and strong many-body interactions, leading to exciton-density- and twist-angle-dependent diffusion length. These results have important implications for designing vdW heterostructures for exciton and spin transport as well as for quantum communication applications.

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