【研究背景】
扭转双层二维材料引导具有周期性电子势特征的莫尔超晶格出现。其中，由过渡金属二硫属化物（TMD）组成的莫尔超晶格因其操纵复杂电子相的潜力而备受关注。在这些系统中已经观察到或预测了多种相态，包括广义Wigner晶体、Mott绝缘体、电荷转移绝缘体、玻色子（激子）绝缘体、零场整数和分数Chern绝缘体。在某些关联状态下，非磁性TMD可以表现出局部磁矩和磁序。先前的研究表明，TMD莫尔超晶格内复杂的磁耦合与电子-电子相互作用密切相关。磁性和电子相关性之间的相互作用强调磁性可能受到多种因素的显著影响，包括电子之间的空间分离、层堆叠顺序和晶格结构。
与莫尔超晶格相关的另一个有趣现象是莫尔超晶格的倒易晶格引起的Bragg-Umklapp散射。这种散射过程有效地将原本位于相邻小布里渊区的电子态折叠到第一个小布里渊区。值得注意的是，在以强光物质相互作用和激子效应为代表特征的TMD系统中，Umklapp散射会导致出现新的明亮激子态。例如，在受莫尔超晶格影响的WSe2/WS2异质双层中，在高于A激子的能量下会出现两个不同的激子共振。类似地，在单层MoSe2中，由于Wigner晶体的形成，在较高能量下观察到随着掺杂增加而蓝移的峰，这归因于电子晶格Umklapp散射。
【成果介绍】
鉴于此，香港大学的姚望教授和华盛顿大学许晓栋教授团队发表了题为“Moiré Exchange Effect in Twisted WSe2/WS2 Heterobilayer”的工作在Physical Review Letters期刊上。该研究展示了在扭转角接近0°的WSe2/WS2中观察到的Umklapp激子巨大Zeeman分裂。在 ν = −1（即每个莫尔点一个空穴）时，由于局部空穴之间的动力学反铁磁交换相互作用，可以出现120° Néel序。与这种磁序的相互作用是观察到WSe2 A 激子发生大Zeeman分裂的原因。在本研究中，观察到更高能态的巨大Zeeman分裂，其g因子比A激子大5倍以上。这种高能态是一个暗激子，它通过周期性莫尔势的Umklapp散射而亮化，其与外部磁场极化莫尔载体的库仑交换是观测到的巨大Zeeman分裂的原因。本文给出的结合了莫尔势和周期性莫尔交换场模型很好地解释到了这一现象。
【图文导读】
图 1. 器件基础和特性。（a）器件D1的光学显微镜图像。（b）R堆叠器件的光致发光光谱。（c）器件D1的反射对比光谱与栅极电压和5 K下的莫尔填充因子的关系。
图 2. Umklapp激子态的巨大Zeeman分裂。（a）选定磁场下的圆偏振反射对比光谱。灰色（粉色）线对应于左圆 L（右圆 R）偏振光谱。（b）、（c）提取的H1（b）和H2（c）相对于磁场的偏振分辨峰位置。（d）ν = −1处 H1（红色）和H2（蓝色）相对于磁场的Zeeman分裂。（e）莫尔势和莫尔交换场中莫尔激子的示意图。
图 3. 具有莫尔势和莫尔交换场的模拟激子散射。（a）受莫尔交换场影响的激子Umklapp散射示意图。（b）饱和磁场下莫尔势（左）和莫尔交换场（右）的空间图。（c）具有变化磁场的模拟偏振分辨光谱。
图 4. 填充相关的Zeeman分裂。(a)、(b) 峰值 H1 (a) 和 H2 (b) 的Zeeman分裂幅度与磁场和填充因子的关系。(c) 在选定的填充因子ν = −1左右时，H1 (红色) 和 H2 (蓝色) 的Zeeman分裂线。
【总结展望】
总之，本文报告了对莫尔交换效应的观测。当自旋表现出与激子相同或相称的周期性时，光学共振的Zeeman分裂在Umklapp散射分支上被高度放大，这些特征可能有助于研究莫尔晶格或莫尔磁体中的磁相互作用。此外，将Umklapp态的Zeeman分裂与基态的Zeeman分裂进行比较可以提供有关实空间中波函数分布和势分布的信息。实验还表明超晶格尺寸和电子自旋的实空间分布对源自磁晶格的莫尔交换效应有实质性影响。此外，Umklapp态由超晶胞互易晶格矢量促进，使其对莫尔波长变化的敏感度可能高于基态。由于TMD莫尔超晶格迅速成为研究多体相互作用和拓扑的强大平台，本文的见解将有助于进一步了解TMD莫尔超晶格中出现的现象，例如与混合激子载流子存在下的磁光响应的相关现象。
【文献信息】
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