Excitoner är kvasipartiklar som bildas i isolatorer eller halvledare när en elektron befordras till ett högre energiband och lämnar ett positivt laddat hål efter sig.

Vid närvaro av stark Coulomb-interaktion bildar elektroner och hål (vakanser som lämnas av elektroner som ses positivt laddade kvasipartiklar) tätt bundna elektron-hålpar, som kallas excitoner.

Denna process gör att elektronen och hålet binder samman, vilket skapar en exciton, som i huvudsak är en mobil koncentration av energi som beter sig på samma sätt som partiklar. Excitoner är allestädes närvarande i optiskt exciterade halvledare. Men i sällsynta scenarier kan de spontant bildas i en halvledare eller halvmetall med litet bandgap.

På 1960-talet lade fysikern Nevill Mott fram en intressant teoretisk hypotes, som föreslog att om bandstrukturen för ett material skulle ställas in på ett specifikt sätt (d.v.s. med en övre energinivå under den lägre energinivån vid vissa punkter), då systemets grundtillstånd skulle innehålla excitoner. Excitoner i ett sådant system skulle vara neutralt laddade, så materialet skulle kunna klassificeras som en isolator.

Medan många fysiker byggde på Motts intressanta hypotes, hade den hittills aldrig bevisats i en experimentell miljö. Detta var fram till förra året, då två olika forskarlag vid Princeton University och University of Washington samlade de första experimentella bevisen på ett excitoniskt isolerande tillstånd i monolager volframditellurid.

Nyligen visade forskning av ytterligare två forskargrupper skapandet av excitoniska isolatorer, med hjälp av vad som kallas moiré-supergitter. Moiré-supergitter är heterostrukturer som kännetecknas av 2D-lager staplade ovanpå varandra, med en vridningsvinkel eller ett gitterfel. Den första av dessa studier, utförd av teamet vid UC Berkeley och publicerad i Nature Physics , rapporterade observationen av ett korrelerat mellanskikts excitonisoleringstillstånd i en heterostruktur som består av en WSe₂ monolager och en WS2/WSe₂ moiré tvåskikt.

"Excitoniska isolatorer, som först föreslogs av N.F. Mott 1961, hade redan demonstrerats i quantum Hall dubbelskiktssystem, där Landau-nivåer i ett starkt magnetfält är platta elektroniska band som undertrycker den kinetiska energin och förbättrar elektron-hålkorrelationen."

Zuocheng Zhang, en av forskarna vid UC Berkeley som genomförde denna andra studie, berättade för Phys.org. "Vi övervägde om vi kunde uppnå interlagers excitonisolator vid noll magnetfält."

Moiré-supergitter är allmänt undersökta strukturer som också är kända för att vara värd för platta elektroniska band. Zhang och hans kollegor bestämde sig för att integrera moiré-supergittret i ett dubbelskiktssystem och letade sedan efter det excitoniska isolerande tillståndet vid ett magnetfält på noll.

"Vi realiserade en dubbelskikts heterostruktur som består av en WS₂ /WSe₂ moiré-dubbelskikt och en WSe₂ monolager," förklarade Zhang. "Ett 1 nm tjockt hBN separerar dessa två lager. Vi staplar upp moiré-dubbelskiktet, isolerande hBN-skikt och en WSe₂ monolager genom att använda den polymerbaserade provöverföringstekniken."

Den andra gruppen som observerade en excitonisk isolator i ett moiré-supergitter inkluderade forskare från olika institut i USA, Kina och Japan, inklusive Rensselaer Polytechnic Institute, University of Electronic Science and Technology i Kina, University of California Riverside, University of Texas kl. Dallas, Arizona State University och National Institute for Materials Science i Japan. Detta stora forskningssamarbete använde specifikt ett naturligt dubbelskikts WSe₂ och ett monolager WS2 för att konstruera en trelagers excitonisk isolator.

"Målet med vår studie var att demonstrera ett nytt isolerande tillstånd, som föreslogs för mer än 50 år sedan av Leonid Keldysh och andra", säger Sufei Shi, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Det förutspås att i en halvledare med litet bandgap eller en halvmetall, samexisterande elektroner och hål kommer spontant att binda när Coulomb-interaktionen är stark och bilda ett isolerande grundtillstånd, excitonisk isolator. Detta tillstånd tros ha viss likhet med kvasipartiklarna ( BCS kopparpar) som ger upphov till supraledning och kan leda till makroskopiska koherenta fenomen."

Huvudsyftet med det senaste arbetet av Shi och hans kollegor var att skapa ett robust excitoniskt isoleringssystem med 2D-material. Dessa material kombinerades för att bilda en ny periodisk struktur, med bandtekniker.

"Vi väljer kombinationen av ett naturligt dubbelskikts WSe₂ och ett monolager WS2 för att konstruera en excitonisk isolator i tre lager," sa Shi. "Båda dessa material erhölls genom mekanisk exfoliering (samma teknik som användes för att erhålla grafen)."

Efter att ha erhållit materialen för deras system, satte forskarna ihop dem för att bilda ett moiré-supergitter, som exakt kontrollerade vridningsvinkeln mellan lagren (dvs. med 0 eller 60 grader). De försökte sedan konstruera den så att den skulle ha både elektroner och hål, för att möjliggöra det excitoniska isolatortillståndet.

"I moirésystemet bildas ett platt energiband vid gränssnittet mellan WSe₂ och WS2, som gör det möjligt för oss att justera bärarpolariteten, det vill säga att bärarna är hålliknande nära toppen av bandet och elektronliknande nära botten av bandet," Prof. Yong-Tao Cui från UC Riverside, senior sa författaren till det andra verket.

"Det extra lagret av WSe₂ bidrar med ett hålband. Därför, genom att använda ett elektriskt fält, kan vi ställa in det platta moirébandet till värdelektroner medan hålen är i den andra WSe₂ band. Detta skapar tillståndet av samexisterande elektroner och hål, som interagerar starkt för att bilda det excitoniska isolatortillståndet. Denna hypotes bekräftades också av de beräkningar som gjordes av prof. Chuanwei Zhangs grupp vid UT Dallas."

Den nya korrelerade interlagerexcitonisolatorn som demonstrerades av Zhang och hans kollegor vid UC Berkeley inkluderade hålen i en bandisolator (i WSe₂ monolager) och elektroner från en Mott-isolator (i WS2/WSe₂ moiré dubbelskikt). Det isolatortillstånd som Shi och hans kollegor demonstrerade var däremot baserat på en naturlig WSe₂ dubbelskikt och ett WS2 monolager.

"Vår studie belyser möjligheterna att utforska nya kvantfenomen i dubbelskiktiga moirésystem," tillade Zhang. "Mellanlagerexcitonerna i vårt system kan potentiellt bilda ett excitonkondensat vid tillräckligt låga temperaturer. Vi planerar nu att utföra ytterligare experiment som syftar till att demonstrera excitonsuperfluiditet."

De nyligen genomförda studierna av dessa två forskarlag lyfter fram potentialen hos dubbelskiktiga moirésystem som plattformar för att realisera kvantfaser. I framtiden kan de bana väg för mer forskning med hjälp av moiré-supergitter för att studera 2D-korrelerad mångakroppsfysik.

"Vi har konstruerat en robust excitonisk isolator med övergångstemperatur så hög som 90 K," tillade Shi. "Systemet är också mycket avstämbart med ett elektriskt fält. Detta robusta EI-system möjliggör framtida studier av EI, särskilt på de nya kvanttillstånden och deras makroskopiska koherenta effekter. Till exempel kommer vi att utforska excitonernas överfluiditet." + Utforska vidare

Forskare observerar moiré-trioner i H-staplade dikalkogeniddubbelskikt av övergångsmetall

© 2022 Science X Network