Quantum systems in confined geometries are host to novel physical phenomena. Examples include quantum Hall systems in semiconductors1 and Dirac electrons in graphene2. Interest in such systems has also been intensified by the recent discovery of a large enhancement in photoluminescence quantum efficiency3,4,5,6,7 and a potential route to valleytronics6,7,8 in atomically thin layers of transition metal dichalcogenides, MX2 (M = Mo, W; X = S, Se, Te), which are closely related to the indirect-to-direct bandgap transition in monolayers9,10,11,12. Here, we report the first direct observation of the transition from indirect to direct bandgap in monolayer samples by using angle-resolved photoemission spectroscopy on high-quality thin films of MoSe2 with variable thickness, grown by molecular beam epitaxy. The band structure measured experimentally indicates a stronger tendency of monolayer MoSe2 towards a direct bandgap, as well as a larger gap size, than theoretically predicted. Moreover, our finding of a significant spin-splitting of ∼180 meV at the valence band maximum of a monolayer MoSe2 film could expand its possible application to spintronic devices. The transition from an indirect to direct bandgap in transition metal dichalcogenides has been observed in samples with thicknesses ranging from 8 to 1 monolayers by angle-resolved photoemission spectroscopy.

Spin-polarized currents can transfer spin angular momentum to a ferromagnet, generating a torque that can efficiently reorient its magnetization. Achieving quantitative measurements of the spin-transfer-torque vector in magnetic tunnel junctions (MTJs) is important for understanding fundamental mechanisms affecting spin-dependent tunneling, and for developing magnetic memories and nanoscale microwave oscillators. Here we present direct measurements of both the magnitude and direction of the spin torque in Co60Fe20B20/MgO/Co60Fe20B20 MTJs. At low bias V, the differential torque vector d{tau}/dV lies in the plane defined by the electrode magnetizations, and its magnitude is in excellent agreement with a prediction for highly-spin-polarized tunneling. With increasing bias, the in-plane component d{tau}_{parallel}/dV remains large, in striking contrast to the decreasing magnetoresistance ratio. The differential torque vector also rotates out of the plane under bias; we measure a perpendicular component tau_{perp}(V) with bias dependence proportional to V^2 for low V, that becomes as large as 30% of the in-plane torque.

Single unit cell films of iron selenide (1UC FeSe) grown on SrTiO3 (STO) substrates have recently shown superconducting energy gaps opening at temperatures close to the boiling point of liquid nitrogen (77 K), a record for iron-based superconductors. Towards understanding why Cooper pairs form at such high temperatures, a primary question to address is the role, if any, of the STO substrate. Here, we report high resolution angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) results which reveal an unexpected and unique characteristic of the 1UC FeSe/STO system: shake-off bands suggesting the presence of bosonic modes, most likely oxygen optical phonons in STO, which couple to the FeSe electrons with only small momentum transfer. Such coupling has the unusual benefit of helping superconductivity in most channels, including those mediated by spin fluctuations. Our calculations suggest such coupling is responsible for raising the superconducting gap opening temperature in 1UC FeSe/STO. This discovery suggests a pathway to engineer high temperature superconductors.

Using angle-resolved photoemission spectroscopy, we observe the low-temperature state of the A(x)Fe(2-y)Se(2) (A=K, Rb) superconductors to exhibit an orbital-dependent renormalization of the bands near the Fermi level-the d(xy) bands heavily renormalized compared to the d(xz)/d(yz) bands. Upon raising the temperature to above 150 K, the system evolves into a state in which the d(xy) bands have depleted spectral weight while the d(xz)/d(yz) bands remain metallic. Combined with theoretical calculations, our observations can be consistently understood as a temperature-induced crossover from a metallic state at low temperatures to an orbital-selective Mott phase at high temperatures. Moreover, the fact that the superconducting state of A(x)Fe(2-y)Se(2) is near the boundary of such an orbital-selective Mott phase constrains the system to have sufficiently strong on-site Coulomb interactions and Hund's coupling, highlighting the nontrivial role of electron correlation in this family of iron-based superconductors.