En trion instängd i en moirépotentialbrunn. Planet representerar moiré-supergittret med ett förenklat moirémönster. Tre moiréceller är markerade i färg. Ovanför dem är den potentiella energiprofilen. Sfären med tre glödande "kulor" representerar moirétrionen. Kredit:Ella Maru Studio, Hongyi Yu och Wang Yao, University of Hong Kong; Wangxiang Li och Joshua Lui, UC Riverside
När två liknande atomlager med felmatchande gitterkonstanter – det konstanta avståndet mellan ett lagers enhetsceller – och/eller orientering staplas ihop, det resulterande dubbelskiktet kan uppvisa ett moirémönster och bilda ett moiré-supergitter.
Moirémönster är interferensmönster som vanligtvis uppstår när ett objekt med ett upprepat mönster placeras över ett annat med ett liknande mönster. Moiré supergaller, bildas av atomlager, kan uppvisa fascinerande fenomen som inte finns i de enskilda lagren, öppnar dörren till tekniska revolutioner inom många områden, inklusive elöverföring, informationsteknik, och kvantberäkning.
Genom att lysa laserljus på halvledande moiré-supergitter som bildats genom att stapla två atomärt tunna material - monolager volframdiselenid (WSe) 2 ) och monolager molybdendiselenid (MoSe 2 )—ett team ledd av forskare vid University of California, Riverside, och Academia Sinica i Taiwan hittade en ny klass av elektroniska exciterade tillstånd som kallas "moiré-trioner".
"Dessa triioner, som är instängda triontillstånd i moirépotentiala brunnar – nedgångar i potentiell energi – i WSe 2 /MoSe 2 strukturera, uppvisar nya egenskaper som skiljer sig markant från konventionella trioners, " sa Chun Hung (Joshua) Lui, en biträdande professor vid institutionen för fysik och astronomi vid UC Riverside, som ledde forskningen.
Studien, publicerad 2 juni i Natur , öppnar upp för nya möjligheter att utveckla trionbaserade kvantoptiska emitters och erbjuder nya tillvägagångssätt för att utforska moiréfysik.
En trion är ett bundet tillstånd av två elektroner och ett hål, eller en elektron och två hål. Ett hål är en elektrons vakans. Trioner är de dominerande ljussändare och energibärare i atomärt tunna halvledare med extra laddningar. Genom att applicera externa spänningar, elektriska eller magnetiska fält, många egenskaper hos trioner, som deras befolkning, emissionspolarisering, och rörelse, kan kontrolleras. Trionernas mångsidiga inställningsförmåga gör dem användbara för ljussändare, energitransport, och, potentiellt, informationsöverföring.
I homogena halvledare, trioner är fria att röra sig och sprida, vilket resulterar i ett brett optiskt spektrum. Dock, i moiré-supergaller, trioner fastnar nära moiré potentiella brunnar och blir moiré trioner. Deras instängdhet där förhindrar slumpmässig spridning.
"Vi finner att utsläppslinjerna för moiré-trioner är mer än 10 gånger skarpare än de för fria trioner, ", sa Lui. "När moiré-trionerna är rumsligt isolerade, de kan sända ut enstaka fotoner, vilket gör dem till en möjlig optisk källa för kvantinformationsteknologi."
"Vårt arbete pekar på möjligheten att generera tvådimensionella arrayer av trioner i de periodiska moirépotentialbrunnarna, " sa Erfu Liu, en postdoktor i Luis labb och den första författaren till forskningsartikeln. "Sådana 2D-trionmatriser kan uppvisa rumslig koherens, avslöja ny fysik, och hitta tillämpningar inom laserteknik."
Forskningen om moiré-trioner avslöjar också en del ny fysik som kan vara användbar i ytterligare studier av moiré-supergitter.
"Moiré supergitter är kända för att vara värd för många "miniband" i deras elektroniska energibandstruktur, "Sådana miniband är avgörande för fascinerande fenomen, sa Lui. såsom supraledning, i moiré-supergaller. På grund av det lilla energiavståndet mellan dessa miniband, det är utmanande att undersöka deras detaljerade struktur. Moiré trions inspirerar till ett nytt tillvägagångssätt för att undersöka minibanden."
Liu förklarade att i konventionella halvledare med relativt enkla elektroniska band, en trion sönderfaller till samma slutliga elektroniska tillstånd och visar bara en emissionslinje. Men i moiré-supergitter med flera elektroniska miniband, en trion kan förfalla till stater i olika miniband, han sa.
"Detta kommer att producera flera utsläppslinjer, och energiseparationen av dessa linjer återspeglar energiavståndet mellan minibanden, ", tillade han. "Våra resultat stödjer ett sådant nytt beteende hos moiré-trioner och tyder på att moiré-trionspektroskopi kan utvecklas för att undersöka elektroner i moiré-supergitter."
Med tanke på de nya egenskaperna hos moiré-trioner, Lui förväntar sig att forskning om moiré-trioner kommer att väcka stor uppmärksamhet.
"Verkligen, relaterade studier av moiré-trioner rapporterades också nyligen av forskare vid Heriot-Watt University i Storbritannien, Nanyang Technological University i Singapore, och Tsinghua University i Kina, ", sa han. "Jag tror att forskningen om moiré trion kommer att öka och leda till många spännande upptäckter i framtiden."
Forskningsuppsatsen har titeln "Signaturer of moiré trions in WSe 2 /MoSe 2 heterobilager."
