Giant Valley-Zeeman Splitting from Spin-Singlet and Spin-Triplet Interlayer Excitons in WSe2/MoSe2 Heterostructure

塞曼效应 激子 单重态 光致发光 凝聚态物理 光谱学 自旋电子学 材料科学 分子物理学 化学 物理 原子物理学 磁场 铁磁性 激发态 光电子学 量子力学
作者
Tianmeng Wang,Shengnan Miao,Zhipeng Li,Yuze Meng,Zhengguang Lu,Zhen Lian,Mark Blei,Takashi Taniguchi,Kenji Watanabe,Sefaattin Tongay,Dmitry Smirnov,Su‐Fei Shi
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:20 (1): 694-700 被引量:83
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.9b04528
摘要

Transition metal dichalcogenides (TMDCs) heterostructure with a type II alignment hosts unique interlayer excitons with the possibility of spin-triplet and spin-singlet states. However, the associated spectroscopy signatures remain elusive, strongly hindering the understanding of the Moiré potential modulation of the interlayer exciton. In this work, we unambiguously identify the spin-singlet and spin-triplet interlayer excitons in the WSe2/MoSe2 heterobilayer with a 60° twist angle through the gate- and magnetic field-dependent photoluminescence spectroscopy. Both the singlet and triplet interlayer excitons show giant valley-Zeeman splitting between the K and K′ valleys, a result of the large Landé g-factor of the singlet interlayer exciton and triplet interlayer exciton, which are experimentally determined to be ∼10.7 and ∼15.2, respectively, which is in good agreement with theoretical expectation. The photoluminescence (PL) from the singlet and triplet interlayer excitons show opposite helicities, determined by the atomic registry. Helicity-resolved photoluminescence excitation (PLE) spectroscopy study shows that both singlet and triplet interlayer excitons are highly valley-polarized at the resonant excitation with the valley polarization of the singlet interlayer exciton approaching unity at ∼20 K. The highly valley-polarized singlet and triplet interlayer excitons with giant valley-Zeeman splitting inspire future applications in spintronics and valleytronics.

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