Att utforska egenskaperna och beteendet hos starkt interagerande kvantpartiklar är en av gränserna för modern fysik. Det finns inte bara stora öppna problem som väntar på lösningar, några av dem sedan decennier (tänk högtemperatursupraledning). Lika viktigt är det att det finns olika regimer av kvant-mångakroppsfysik som förblir väsentligen otillgängliga med nuvarande analytiska och numeriska verktyg. Speciellt för dessa fall är experimentella plattformar eftertraktade där interaktionerna mellan partiklar kan både kontrolleras och justeras, vilket möjliggör systematisk utforskning av breda parameterområden. En sådan experimentell plattform är noggrant konstruerade staplar av tvådimensionella (2D) material. Under de senaste åren har dessa "designer-kvantmaterial" möjliggjort unika studier av korrelerade elektroniska tillstånd. Styrkan i interaktionen mellan kvanttillstånden är dock vanligtvis fixerad när en stack är tillverkad. Nu rapporterar gruppen av professor Ataç Imamoğlu vid Institutet för kvantelektronik en väg runt denna begränsning. Att skriva i vetenskap , introducerar de en mångsidig metod som möjliggör inställning av interaktionsstyrkan i 2D-heterostrukturer genom att applicera elektriska fält.

Styrka i en twist

Tvådimensionella material har varit i rampljuset för solid-state forskning ända sedan den första framgångsrika isoleringen och karakteriseringen av grafen – enkla lager av kolatomer – 2004. Fältet expanderade med hisnande hastighet sedan dess, men fick ett anmärkningsvärt uppsving för tre år sedan, när det visades att två grafenlager arrangerade i en liten vinkel i förhållande till varandra kan vara värd för ett brett spektrum av spännande fenomen som domineras av elektroniska interaktioner.

Sådana "tvinnade dubbelskiktssystem", även kända som moiré-strukturer, har senare också skapats med andra 2D-material, framför allt med övergångsmetalldikalkogenider (TMD). Förra året visade Imamoğlu-gruppen att två enkla lager av TMD-materialet molybdendiselenid (MoSe₂ ), åtskilda av en enskiktsbarriär gjord av hexagonal bornitrid (hBN), ger moiréstrukturer i vilka starkt korrelerade kvanttillstånd uppstår. Förutom rent elektroniska tillstånd uppvisar dessa material även hybrida ljus-materia-tillstånd, vilket i slutändan gör det möjligt att studera dessa heterostrukturer med optisk spektroskopi – något som inte är möjligt med grafen.

Men för all fascinerande mångakroppsfysik som dessa MoSe₂ /hBN/MoSe₂ strukturer ger tillgång till, de delar en nackdel med många andra solid-state-plattformar:nyckelparametrarna är mer eller mindre fixerade i tillverkningen. För att ändra på det har teamet, ledd av postdoktorerna Ido Schwartz och Yuya Shimazaki, nu antagit ett verktyg som används flitigt i experiment på en plattform känd för sin avstämningsbarhet, ultrakalla atomära kvantgaser.

Feshbach-resonanser blir elektriska

Schwartz, Shimazaki och deras kollegor visade att de kan inducera i sitt system en så kallad Feshbach-resonans. Dessa tillåter i huvudsak att ställa in interaktionsstyrkan mellan kvantenheter genom att föra dem i resonans med ett bundet tillstånd. I fallet som utforskats av ETH-teamet är dessa gränstillstånd mellan en exciton (skapad med hjälp av de optiska övergångarna i deras system) i ett lager och ett hål i det andra lagret. Det visar sig att när exciton och hål överlappar spatialt, kan det senare tunneleras till det andra lagret och bilda en interlagers exciton-hål "molekyl" (se figuren). Det är av avgörande betydelse att den relevanta interaktionsstyrkan mellan skikten för interaktionerna mellan exciton och hål lätt kan ändras med hjälp av elektriska fält.

Denna elektriska avstämning av bindningsenergin hos "Feshbach-molekylerna" står i kontrast till atomsystem, där Feshbach-resonanser vanligtvis styrs med magnetfält. Dessutom har experimenten av Schwartz, Shimazaki et al. ger de första Feshbach-resonanserna som äger rum i verkligt 2D-system, vilket är av intresse i sig. Viktigare kan dock vara att de elektriskt avstämbara Feshbach-resonanserna som utforskas nu i MoSe₂ /hBN/MoSe₂ heterostrukturer bör vara ett generiskt kännetecken för tvåskiktssystem med koherent tunnling av elektroner eller hål. Detta innebär att den nyligen introducerade "avstämningsratten" kan bli ett mångsidigt verktyg för ett brett utbud av solid-state-plattformar baserade på 2D-material – vilket i sin tur öppnar upp spännande perspektiv för den bredare experimentella utforskningen av kvantsystem för många kroppar. + Utforska vidare

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