A tunable bilayer Hubbard model in twisted WSe2

凝聚态物理 赫巴德模型 物理 反铁磁性 激子 莫特绝缘子 双层 电场 超导电性 材料科学 化学 量子力学 生物化学
作者
Yang Xu,Kaifei Kang,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Kin Fai Mak,Jie Shan
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:17 (9): 934-939 被引量:92
标识
DOI:10.1038/s41565-022-01180-7
摘要

Moir\'e materials with flat electronic bands provide a highly controllable quantum system for studies of strong-correlation physics and topology. In particular, angle-aligned heterobilayers of semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDs) with large band offset realize the single-band Hubbard models. Introduction of a new layer degree of freedom is expected to foster richer interactions, enabling Hund's physics, interlayer exciton condensation and new superconducting pairing mechanisms to name a few. Here, we report competing electronic orders in twisted AB-homobilayer WSe2, which realizes a bilayer Hubbard model in the weak interlayer hopping limit for holes. We characterize the charge order, layer polarization and magnetization of the moir\'e bilayer, subjected to an out-of-plane electric and magnetic field, by exciton sensing and magneto circular dichroism measurements. By layer-polarizing holes via the electric field, we observe a crossover from an excitonic insulator to a charge-transfer insulator at hole density of $\nu$=1 (in unit of moir\'e density), a transition from a paramagnetic to an antiferromagnetic charge-transfer insulator at $\nu$=2, and evidence for a layer-selective Mott insulator at 1<$\nu$<2. The unique coupling of charge and spin to external fields also manifests a giant magneto-electric response. Our results establish a new solid-state simulator for problems in strong-correlation physics that are described by bilayer Hubbard models.

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