Wanneer twee vergelijkbare atomaire lagen met niet-overeenkomende roosterconstanten - de constante afstand tussen de eenheidscellen van een laag - en/of oriëntatie op elkaar worden gestapeld, de resulterende dubbellaag kan een moiré-patroon vertonen en een moiré-superrooster vormen.

Moiré-patronen zijn interferentiepatronen die typisch ontstaan ​​wanneer een object met een zich herhalend patroon over een ander object met een vergelijkbaar patroon wordt geplaatst. Moiré superroosters, gevormd door atomaire lagen, kan fascinerende fenomenen vertonen die niet in de afzonderlijke lagen voorkomen, de deur openzetten voor technologische revoluties op veel gebieden, inclusief elektriciteitstransmissie, informatie techniek, en kwantumcomputers.

Door laserlicht te schijnen op halfgeleidende moiré-superroosters gevormd door twee atomair dunne materialen op elkaar te stapelen - monolaag wolfraamdiselenide (WSe ₂ ) en monolaag molybdeendiselenide (MoSe ₂ )—een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Californië, rivieroever, en Academia Sinica in Taiwan vonden een nieuwe klasse van elektronische aangeslagen toestanden die 'moiré trions' worden genoemd.

"Deze drietallen, dat zijn opgesloten triontoestanden in moiré-potentiaalbronnen - dips in potentiële energie - van de WSe ₂ /MoSe ₂ structuur, nieuwe kenmerken vertonen die duidelijk verschillen van die van conventionele trions, " zei Chun Hung (Jozua) Lui, een assistent-professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan UC Riverside, die het onderzoek leidde.

De studie, gepubliceerd op 2 juni in Natuur , opent nieuwe mogelijkheden om op trionen gebaseerde kwantum optische emitters te ontwikkelen en biedt nieuwe benaderingen om de moiré-fysica te verkennen.

Een trion is een gebonden toestand van twee elektronen en één gat, of één elektron en twee gaten. Een gat is de leegte van een elektron. Trionen zijn de dominante lichtstralers en energiedragers in atomair dunne halfgeleiders met extra ladingen. Door externe spanningen toe te passen, elektrische of magnetische velden, veel kenmerken van trions, zoals hun bevolking, emissie polarisatie, en beweging, gecontroleerd kan worden. De veelzijdige afstembaarheid van de trions maakt ze bruikbaar voor lichtzenders, energie transport, en, mogelijk, informatie overdracht.

In homogene halfgeleiders, trions zijn vrij om te bewegen en te verspreiden, wat resulteert in brede optische spectra. Echter, in moiré-superroosters, trions komen vast te zitten in de buurt van moiré-potentiële putten en worden moiré-trions. Hun opsluiting daar voorkomt willekeurige verstrooiing.

"We vinden dat de emissielijnen van moiré-trions meer dan 10 keer scherper zijn dan die van vrije trions, " zei Lui. "Omdat de moiré-trions ruimtelijk geïsoleerd zijn, ze kunnen enkele fotonen uitzenden, waardoor ze een haalbare optische bron voor kwantuminformatietechnologie zijn."

"Ons werk wijst op de mogelijkheid om tweedimensionale arrays van trions te genereren in de periodieke moiré-potentiaalbronnen, " zei Erfu Liu, een postdoctoraal onderzoeker in Lui's lab en de eerste auteur van het onderzoekspaper. "Dergelijke 2D-trion-arrays kunnen ruimtelijke samenhang vertonen, nieuwe natuurkunde onthullen, en vind toepassingen in lasertechnologie."

Het onderzoek naar moiré-trions onthult ook enkele nieuwe fysica die nuttig kan zijn bij de verdere studie van moiré-superroosters.

"Het is bekend dat Moiré-superroosters veel 'minibands' herbergen in hun elektronische energiebandstructuur, Lui zei. "Dergelijke minibands zijn cruciaal voor fascinerende fenomenen, zoals supergeleiding, in moiré-superroosters. Vanwege de kleine energieafstand tussen deze minibanden, het is een uitdaging om hun gedetailleerde structuur te onderzoeken. Moiré-trions inspireren een nieuwe benadering om de minibands te onderzoeken."

Liu legde uit dat in conventionele halfgeleiders met relatief eenvoudige elektronische banden, een trion vervalt in dezelfde elektronische eindtoestand en vertoont slechts één emissielijn. Maar in moiré superroosters met meerdere elektronische minibands, een trion kan vervallen in toestanden in verschillende minibands, hij zei.

"Dit zal meerdere emissielijnen produceren, en de energiescheiding van deze lijnen weerspiegelt de energieafstand van de minibanden, " voegde hij eraan toe. "Onze resultaten ondersteunen dergelijk nieuw gedrag van moiré-trions en suggereren dat moiré-trion-spectroscopie kan worden ontwikkeld om elektronen in moiré-superroosters te onderzoeken."

Gezien de nieuwe kenmerken van moiré-trions, Lui verwacht dat onderzoek naar moiré-trions veel aandacht zal krijgen.

"Inderdaad, gerelateerde studies van moiré trions werden onlangs ook gerapporteerd door onderzoekers van de Heriot-Watt University in het Verenigd Koninkrijk, Nanyang Technologische Universiteit in Singapore, en Tsinghua Universiteit in China, " zei hij. "Ik geloof dat het onderzoek naar moiré trion zal toenemen en in de toekomst tot veel opwindende ontdekkingen zal leiden."

De onderzoekspaper is getiteld "Signatures of moiré trions in WSe ₂ /MoSe ₂ heterobilagen."