Excitonen zijn quasideeltjes die worden gevormd in isolatoren of halfgeleiders wanneer een elektron naar een hogere energieband wordt gepromoveerd, waardoor een positief geladen gat achterblijft.

Bij aanwezigheid van sterke Coulomb-interactie vormen elektronen en gaten (vacatures achtergelaten door elektronen die als positief geladen quasideeltjes worden beschouwd) nauw gebonden elektron-gatparen, die excitonen worden genoemd.

Dit proces zorgt ervoor dat het elektron en het gat aan elkaar binden, waardoor een exciton ontstaat, dat in wezen een mobiele energieconcentratie is die zich op dezelfde manier gedraagt ​​als deeltjes. Excitonen zijn alomtegenwoordig in optisch geëxciteerde halfgeleiders. In zeldzame scenario's kunnen ze zich echter spontaan vormen in een halfgeleider of halfmetaal met een kleine bandgap.

In de jaren zestig bracht natuurkundige Nevill Mott een interessante theoretische hypothese naar voren, die suggereerde dat als de bandstructuur van een materiaal op een specifieke manier zou worden afgestemd (d.w.z. met een hoger energieniveau onder het lagere energieniveau op bepaalde punten), dan grondtoestand van het systeem zou excitonen bevatten. Excitaties in een dergelijk systeem zouden neutraal geladen zijn, dus het materiaal zou als een isolator kunnen worden geclassificeerd.

Hoewel veel natuurkundigen voortbouwden op de interessante hypothese van Mott, was deze tot dusver nooit bewezen in een experimentele setting. Dit was tot vorig jaar, toen twee verschillende onderzoeksteams aan de Princeton University en aan de University of Washington het eerste experimentele bewijs verzamelden van een excitonische isolerende toestand in monolaag wolfraam ditelluride.

Onlangs toonde onderzoek door nog twee onderzoeksgroepen de creatie van excitonische isolatoren aan, met behulp van zogenaamde moiré-superroosters. Moiré-superroosters zijn heterostructuren die worden gekenmerkt door 2D-lagen die op elkaar zijn gestapeld, met een twisthoek of een roostermismatch. De eerste van deze onderzoeken, uitgevoerd door het team van UC Berkeley en gepubliceerd in Nature Physics , rapporteerde de waarneming van een gecorreleerde tussenlaagse exciton-isolerende toestand in een heterostructuur bestaande uit een WSe₂ monolaag en een WS2/WSe₂ moiré dubbellaags.

"Excitonische isolatoren, voor het eerst voorgesteld door N.F. Mott in 1961, waren al gedemonstreerd in het quantum Hall dubbellaagse systeem, waar Landau-niveaus in een sterk magnetisch veld platte elektronische banden zijn die de kinetische energie onderdrukken en de elektron-gat-correlatie verbeteren."

Zuocheng Zhang, een van de onderzoekers van UC Berkeley die deze andere studie heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "We hebben overwogen of we de tussenlaagse exciton-isolator bij nul magnetisch veld konden bereiken."

Moiré-superroosters zijn veel onderzochte structuren waarvan ook bekend is dat ze platte elektronische banden bevatten. Zhang en zijn collega's besloten het moiré-superrooster te integreren in een dubbellaags systeem en zochten vervolgens naar de excitonische isolatietoestand bij een magnetisch veld van nul.

"We realiseerden een dubbellaagse heterostructuur bestaande uit een WS₂ /WSe₂ moiré dubbellaag en een WSe₂ monolaag," legde Zhang uit. "Een 1-nm dik hBN scheidt deze twee lagen. We stapelen de moiré dubbellaag, isolerende hBN-laag en een WSe₂ op monolaag door gebruik te maken van de op polymeer gebaseerde try transfer-technologie."

De andere groep die een excitonische isolator in een moiré-superrooster observeerde, omvatte onderzoekers van verschillende instituten in de VS, China en Japan, waaronder het Rensselaer Polytechnic Institute, de University of Electronic Science and Technology of China, University of California Riverside, University of Texas at Dallas, Arizona State University en het National Institute for Materials Science in Japan. Deze grote onderzoekssamenwerking maakte specifiek gebruik van een natuurlijke dubbellaagse WSe₂ en één monolaag WS2 om een ​​drielaagse excitonische isolator te construeren.

"Het doel van onze studie was om een ​​nieuwe isolerende staat aan te tonen, meer dan 50 jaar geleden voorgesteld door Leonid Keldysh en anderen," vertelde Sufei Shi, een van de onderzoekers die de studie uitvoerde, aan Phys.org. "Er wordt voorspeld dat, in een halfgeleider met een kleine bandgap of een halfmetaal, naast elkaar bestaande elektronen en gaten spontaan zullen binden wanneer de Coulomb-interactie sterk is, waardoor een isolerende grondtoestand wordt gevormd, een excitonische isolator. Aangenomen wordt dat deze toestand enige gelijkenis vertoont met de quasideeltjes ( BCS-koperpaar) die aanleiding geven tot supergeleiding en kunnen leiden tot macroscopische coherente verschijnselen."

Het belangrijkste doel van het recente werk van Shi en zijn collega's was om een ​​robuust excitonisch isolatiesysteem te creëren met behulp van 2D-materialen. Deze materialen werden gecombineerd om een ​​nieuwe periodieke structuur te vormen, met behulp van band-engineeringtechnieken.

"We kiezen voor de combinatie van een natuurlijke dubbellaagse WSe₂ en één monolaag WS2 om een ​​drielaagse excitonische isolator te construeren," zei Shi. "Beide materialen werden verkregen door mechanische exfoliatie (dezelfde techniek die werd gebruikt om grafeen te verkrijgen)."

Na het verkrijgen van de materialen voor hun systeem, verzamelden de onderzoekers ze om een ​​moiré-superrooster te vormen, waarbij de draaihoek tussen de lagen nauwkeurig werd geregeld (d.w.z. met 0 of 60 graden). Vervolgens probeerden ze het zo te ontwerpen dat het zowel elektronen als gaten zou hebben, om de excitonische isolatortoestand mogelijk te maken.

"In het moiré-systeem wordt een vlakke energieband gevormd op het grensvlak tussen WSe₂ en WS2, waarmee we de polariteit van de drager kunnen afstemmen, d.w.z. de dragers zijn gatachtig aan de bovenkant van de band en elektronachtig aan de onderkant van de band," Prof. Yong-Tao Cui van UC Riverside, een senior auteur van het tweede werk, zei.

"De extra laag van WSe₂ draagt ​​een gatenband bij. Daarom kunnen we, door een elektrisch veld te gebruiken, de vlakke moiré-band afstemmen om elektronen te ontvangen terwijl de gaten zich in de tweede WSe₂ bevinden band. Dit creëert de toestand van naast elkaar bestaande elektronen en gaten, die sterk op elkaar inwerken om de excitonische isolatortoestand te vormen. Deze hypothese werd ook bevestigd door de berekeningen van de groep van prof. Chuanwei Zhang aan de UT Dallas."

De nieuwe gecorreleerde tussenlaag-excitonisolator, gedemonstreerd door Zhang en zijn collega's van UC Berkeley, omvatte de gaten van een bandisolator (in de WSe₂ monolaag) en elektronen van een Mott-isolator (in de WS2/WSe₂ moiré dubbellaag). De isolatietoestand die Shi en zijn collega's demonstreerden, was daarentegen gebaseerd op een natuurlijke WSe₂ dubbellaag en een WS2 monolaag.

"Onze studie benadrukt de mogelijkheden voor het verkennen van nieuwe kwantumfenomenen in dubbellaagse moiré-systemen", voegde Zhang eraan toe. "De tussenlaagse excitonen in ons systeem kunnen mogelijk een excitoncondensaat vormen bij voldoende lage temperaturen. We zijn nu van plan verdere experimenten uit te voeren om de superfluïditeit van excitonen aan te tonen."

De recente studies van deze twee teams van onderzoekers benadrukken het potentieel van dubbellaagse moiré-systemen als platforms voor het realiseren van kwantumfasen. In de toekomst zouden ze de weg kunnen banen voor meer onderzoek met behulp van moiré-superroosters om 2D-gecorreleerde veellichamenfysica te bestuderen.

"We hebben een robuuste excitonische isolator geconstrueerd met een overgangstemperatuur van wel 90 K", voegde Shi eraan toe. "Het systeem is ook zeer goed afstembaar met een elektrisch veld. Dit robuuste EI-systeem maakt toekomstige studie van EI mogelijk, vooral op de nieuwe kwantumtoestanden en hun macroscopische coherente effecten. We zullen bijvoorbeeld de superfluïditeit van de excitonen onderzoeken." + Verder verkennen

Onderzoekers observeren moiré trionen in H-gestapelde overgangsmetaal dichalcogenide dubbellagen

© 2022 Science X Network