Moiré magnetism and moiré excitons in twisted CrSBr bilayers

磁性 凝聚态物理 激子 反铁磁性 铁磁性 自旋电子学 材料科学 物理
作者
Junyi Liu,Xu Zhang,Gang Lü
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2413326121
摘要

Moiré excitons and moiré magnetism are essential to semiconducting van der Waals magnets. In this work, we perform a comprehensive first-principles study to elucidate the interplay of electronic excitation and magnetism in twisted magnetic CrSBr bilayers. We predict a twist-induced quantum phase transition for interlayer magnetic coupling and estimate the critical twist angle below which moiré magnetism with mixed ferromagnetic and antiferromagnetic domains could emerge. Localized one-dimensional moiré excitons are stable if the interlayer coupling is ferromagnetic and become unstable if the coupling turns to antiferromagnetic. Exciton energy modulation by magnons is estimated and dependence of exciton oscillator strength on the twist angle and interlayer coupling is analyzed. An orthogonally twisted bilayer is revealed to exhibit layer-dependent, anisotropic optical transitions. Electric field is shown to induce net magnetic moments in moiré excitons, endowing them with exceedingly long lifetimes. Our work lays the foundation for using magnetic moiré bilayers in spintronic, optoelectronic, and quantum information applications.
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