Optical spectroscopy of interlayer excitons in TMDC heterostructures: exciton dynamics, interactions, and giant valley-selective magnetic splitting

激子 光致发光 异质结 凝聚态物理 材料科学 激发 激发态 偶极子 光谱学 发光 磁场 光致发光激发 比克西顿 分子物理学 光电子学 原子物理学 物理 量子力学
作者
Philipp Nagler,Fabian Mooshammer,Mariana V. Ballotin,Anatolie Mitioglu,Gerd Plechinger,Sebastián Meier,Nicola Paradiso,Christoph Strunk,Rupert Huber,Alexey Chernikov,Peter C. M. Christianen,Christian Schüller,Tobias Korn
标识
DOI:10.1117/12.2286276
摘要

Two-dimensional transition-metal dichalcogenides (TMDCs) have recently emerged as a promising class of materials. A fascinating aspect of these atomically thin crystals is the possibility of combining different TMDCs into heterostructures. For several TMDC combinations, a staggered band alignment occurs, so that optically excited electron-hole pairs are spatially separated into different layers and form interlayer excitons (IEX). Here, we report on time-resolved, low-temperature photoluminescence (PL) of these IEX in a MoSe2-WSe2 heterostructure. In the time-resolved measurements, we observe indications of IEX diffusion in an inhomogeneous potential landscape. Excitation-density-dependent measurements reveal a dipolar, repulsive exciton-exciton interaction. PL measurements in applied magnetic fields show a giant valley-selective splitting of the IEX luminescence, with an effective g factor of about -15. This large value stems from the alignment of K+ and K- valleys of the constituent monolayers in our heterostructure, making intervalley transitions optically bright, so that contributions to the field-induced splitting arising from electron and hole valley magnetic moments add up. This giant splitting enables us to generate a near-unity valley polarization of interlayer excitons even under linearly polarized excitation by applying sufficiently large magnetic fields.
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