单层半导体中铁磁电子基态的交换能

半导体单层 MoS$_2$ 中的流动电子在低温下形成铁磁态。费米海由两个圆组成,一个在 $K$ 点,另一个在 $\tilde{K}$ 点,两者具有相同的自旋。在此,我们展示了一项关于栅极调控低电子密度 MoS$_2$ 的光学实验,其中注入了具有已知自旋和谷量子数的激子。由此产生的三子态通过使用一个模型来识别,该模型考虑了注入过程、反对称化三子态的形成、从一个谷到另一个谷的电子-空穴散射以及复合。结果与完全自旋极化一致。从不同三子态之间的分裂中,我们测量了交换能 $\Sigma$(在铁磁态内翻转单个自旋所需的能量)以及谷间库仑交换能 $J$。我们在 $n=1.5 \times 10^{12}\,$cm$^{-2}$ 处确定 $\Sigma=11.2\,$meV 和 $J=5\,$meV,并且发现 $J$ 强烈依赖于电子密度 $n$。