Wanneer een negatief geladen elektron en een positief geladen gat in een paar aan elkaar gebonden blijven na excitatie door licht, produceren ze toestanden die bekend staan ​​als excitonen. Deze toestanden kunnen de optische eigenschappen van materialen beïnvloeden, waardoor ze op hun beurt kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van verschillende technologieën.

Een team van onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute, Imperial College London, University of California Riverside, Carnegie Mellon University en andere instituten over de hele wereld bestuderen al jaren de vorming van excitonen, terwijl ze ook proberen nieuwe veelbelovende materialen voor opto-elektronische toepassingen te identificeren.

In een artikel, gepubliceerd in Nature Physics , presenteren ze het bewijs van een zogenaamde excitonische Mott-isolatortoestand in een WSe₂ /WS₂ gebaseerd moiré-superrooster (d.w.z. een periodiek interferentiepatroon dat voortkomt uit het over elkaar heen leggen van twee atomaire lagen met een enigszins verschillende periodiciteit).

"In ons eerdere werk hebben we aangetoond dat de interactie tussen elektronen en elektronencorrelaties sterk is in deze WSe₂ /WS₂ moiré superrooster," vertelde Sufei Shi, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org.

"We vermoeden dat de exciton-elektron- en exciton-exciton-interactie ook sterk is. We kunnen deze sterke exciton-correlatie potentieel gebruiken om nieuwe kwantumtoestanden van excitonen te realiseren, die bosonen zijn en anders zouden zijn dan fermionen (elektronen)."

Shi en zijn collega's bestuderen al een tijdje moiré-superroosters, vanwege hun unieke structuur die ze wenselijk maakt voor het manipuleren van excitonen. Deze structuren bestaan ​​uit twee of meer atomair dunne kristallen die op elkaar zijn gestapeld, maar onder een karakteristieke gedraaide hoek, wat bekend staat als 'roostermismatch'.

In hun eerdere onderzoek lieten de onderzoekers zien dat de interactie tussen elektronen bijzonder sterk was in een moiré-superrooster gebaseerd op WSe₂ en WS₂ Kristallen. In hun nieuwe artikel willen ze dezelfde structuur verder onderzoeken en het potentieel ervan onderzoeken als platform om kwantumtoestanden van excitonen te realiseren.

"In ons experiment hebben we vooral gebruik gemaakt van optische spectroscopietechnieken, met name fotoluminescentie (PL) spectroscopie", legt Shi uit. "De uitgezonden fotonenenergie van exciton tussen de lagen als functie van de dotering (elektronen of gaten toegevoegd aan het moiré-superrooster) en excitatievermogen (die het gemiddelde aantal excitondichtheid regelt) onthult de sterke elektron-exciton-afstoting en exciton-exciton-afstoting."

De experimenten uitgevoerd door Shi en zijn collega's verzamelden bewijs dat er een exciton-aangedreven Mott-isolatortoestand ontstaat in de WSe₂ /WS₂ structuur, met name wanneer één exciton tussen de lagen een cel in een cel van het moiré-superrooster bezet. Deze toestand zou interessante implicaties kunnen hebben voor de studie en ontwikkeling van kwantumsystemen.

"De meest opvallende prestatie van onze studie is de vorming van een excitonische Mott-isolatortoestand, wat een voorspelling is van het bosonische Hubbard-model," zei Shi. "Dit toont aan dat de excitoncorrelatie inderdaad sterk is in het moiré-superrooster, en we kunnen dat gebruiken om kwantumtoestanden te construeren die voortkomen uit Hamiltoniaan van bosonen met meerdere deeltjes."

De recente studie van dit team van onderzoekers bevestigt eerdere bevindingen verder en benadrukt het potentieel van deze WS₂ /WSe₂ moiré-superrooster voor het bestuderen en ontwikkelen van nieuwe gecorreleerde toestanden. De excitonische Mott-isolatorstaat die het onthulde, zou kunnen worden gereproduceerd en verder onderzocht in toekomstig onderzoek, terwijl het ook andere werken zou kunnen informeren die gebruik maken van hetzelfde experimentele platform.

"In onze volgende studies willen we de valley-spin, een nieuwe kwantumvrijheidsgraad, van deze excitonische Mott-isolatorstaat onderzoeken," voegde Shi eraan toe. "We willen ons nieuwe inzicht ook gebruiken om een ​​nieuwe kwantumtoestand te construeren en kwantumsimulaties uit te voeren op basis van excitonen of exciton-elektronenmengsels."

Meer informatie: Zhen Lian et al., Valley-gepolariseerde excitonische Mott-isolator in WS2/WSe2 moiré-superrooster, Natuurfysica (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02266-2.

Journaalinformatie: Natuurfysica

© 2023 Science X Netwerk