När en negativt laddad elektron och ett positivt laddat hål i ett par förblir bundna tillsammans efter excitation av ljus, producerar de tillstånd som kallas excitoner. Dessa tillstånd kan påverka materialens optiska egenskaper, vilket i sin tur gör det möjligt att använda dem för att utveckla olika teknologier.
Ett team av forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute, Imperial College London, University of California Riverside, Carnegie Mellon University och andra institut över hela världen har studerat bildandet av excitoner i flera år nu, samtidigt som de försöker identifiera nya lovande material för optoelektroniska tillämpningar.
I en artikel, publicerad i Nature Physics , presenterar de bevis på ett så kallat excitoniskt Mott-isolatortillstånd i en WSe2 /WS2 baserat moiré-supergitter (dvs. ett periodiskt interferensmönster som uppstår från överlagring av två atomlager med en något olika periodicitet).
"I vårt tidigare arbete har vi visat att elektron- och elektronkorrelationsinteraktion är stark i denna WSe2 /WS2 moiré superlattice, säger Sufei Shi, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org.
"Vi misstänker att interaktionen exciton-elektron och exciton-exciton också är stark. Vi kan potentiellt använda denna starka exciton-korrelation för att realisera nya kvanttillstånd av excitoner, som är bosoner och skulle skilja sig från fermioner (elektroner)."
Shi och hans kollegor har studerat moiré-supergitter ett tag, på grund av deras unika struktur som gör dem önskvärda för att manipulera excitoner. Dessa strukturer är uppbyggda av två eller flera atomärt tunna kristaller staplade ovanpå varandra, men i en karakteristiskt vriden vinkel som producerar vad som kallas "gitterfelanpassning."
I sin tidigare forskning visade forskarna att interaktionen mellan elektroner var särskilt stark i ett moiré-supergitter baserat på WSe2 och WS2 kristaller. I sitt nya dokument satte de sig för att ytterligare undersöka samma struktur och utforska dess potential som en plattform för att realisera kvanttillstånd av excitoner.
"I vårt experiment använde vi mest optisk spektroskopi, särskilt fotoluminescens (PL) spektroskopi," förklarade Shi. "Den emitterade fotonenergin från interlagerexciton som funktion av dopningen (elektroner eller hål som läggs till moiré-supergittret) och excitationskraften (som kontrollerar det genomsnittliga antalet excitondensitet) avslöjar den starka elektronexcitonrepulsionen och excitonexcitonrepulsionen."
Experimenten som utfördes av Shi och hans kollegor samlade bevis på att ett excitondrivet Mott-isolatortillstånd uppstår i WSe2 /WS2 struktur, speciellt när en exciton mellan skikten upptar en cell i en cell i moiré-supergittret. Detta tillstånd kan ha intressanta konsekvenser för studier och utveckling av kvantsystem.
"Den mest anmärkningsvärda prestationen av vår studie är bildandet av ett excitoniskt Mott-isolatortillstånd, vilket är en förutsägelse av den bosoniska Hubbard-modellen," sa Shi. "Detta visar att exciton-korrelationen verkligen är stark i moiré-supergittret, och vi kan använda det för att konstruera kvanttillstånd som härrör från Hamiltonian med många kroppar av bosoner."
Den nyligen genomförda studien av detta team av forskare validerar ytterligare tidigare rön och belyser potentialen hos denna WS2 /WSe2 moiré supergitter för att studera och konstruera nya korrelerade tillstånd. Det excitoniska Mott-isolatortillståndet som det avslöjade skulle kunna reproduceras och undersökas ytterligare i framtida forskning, samtidigt som det informerar andra verk som använder samma experimentella plattform.
"I våra nästa studier vill vi utforska dalens spinn, en ny kvantgrad av frihet, i detta excitoniska Mott-isolatortillstånd," tillade Shi. "Vi vill också använda vår nya förståelse för att konstruera ett nytt kvanttillstånd och utföra kvantsimuleringar baserade på excitoner eller exciton-elektronblandningar."
Mer information: Zhen Lian et al, Valley-polarized exciton Mott isolator in WS2/WSe2 moiré superlattice, Nature Physics (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02266-2.
Journalinformation: Naturfysik
© 2023 Science X Network
