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Ultrafast transition between exciton phases in van der Waals heterostructures

超短脉冲 凝聚态物理 声子 Valleytronics公司
作者
Philipp Merkl,Fabian Mooshammer,Philipp Steinleitner,Anna Girnghuber,Kai-Qiang Lin,Philipp Nagler,Johannes Holler,Christian Schüller,John M. Lupton,Tobias Korn,Simon Ovesen,Samuel Brem,Ermin Malic,Rupert Huber
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:18 (7): 691-696 被引量:110
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0337-0
摘要

Heterostructures of atomically thin van der Waals bonded monolayers have opened a unique platform to engineer Coulomb correlations, shaping excitonic1–3, Mott insulating4 or superconducting phases5,6. In transition metal dichalcogenide heterostructures7, electrons and holes residing in different monolayers can bind into spatially indirect excitons1,3,8–11 with a strong potential for optoelectronics11,12, valleytronics1,3,13, Bose condensation14, superfluidity14,15 and moire-induced nanodot lattices16. Yet these ideas require a microscopic understanding of the formation, dissociation and thermalization dynamics of correlations including ultrafast phase transitions. Here we introduce a direct ultrafast access to Coulomb correlations between monolayers, where phase-locked mid-infrared pulses allow us to measure the binding energy of interlayer excitons in WSe2/WS2 hetero-bilayers by revealing a novel 1s–2p resonance, explained by a fully quantum mechanical model. Furthermore, we trace, with subcycle time resolution, the transformation of an exciton gas photogenerated in the WSe2 layer directly into interlayer excitons. Depending on the stacking angle, intra- and interlayer species coexist on picosecond scales and the 1s–2p resonance becomes renormalized. Our work provides a direct measurement of the binding energy of interlayer excitons and opens the possibility to trace and control correlations in novel artificial materials. Femtosecond pump–probe measurements of Coulomb correlations in WS2/WSe2 heterostructures reveal the interlayer exciton binding energy, determined from the 1s–2p resonance, as well as the dynamics of the conversion of intra- to interlayer excitons.

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