Bevis på excitoniske isolatorer i moiré-supergitter

Excitoner er kvasipartikler, der dannes i isolatorer eller halvledere, når en elektron forfremmes til et højere energibånd og efterlader et positivt ladet hul.

Ved tilstedeværelsen af ​​stærk Coulomb-interaktion danner elektroner og huller (ledige pladser efterladt af elektron, der ses positivt ladet kvasipartikel) tæt bundne elektron-hul-par, som kaldes excitoner.

Denne proces får elektronen og hullet til at binde sig sammen, hvilket skaber en exciton, som i det væsentlige er en mobil koncentration af energi, der opfører sig på samme måde som partikler. Excitoner er allestedsnærværende i optisk exciterede halvledere. Men i sjældne scenarier kan de spontant dannes i en lille båndgab-halvleder eller semimetal.

I 1960'erne fremsatte fysikeren Nevill Mott en interessant teoretisk hypotese, der foreslog, at hvis et materiales båndstruktur skulle indstilles på en bestemt måde (dvs. med et øvre energiniveau under det nedre energiniveau på visse punkter), så systemets grundtilstand ville indeholde excitoner. Excitoner i et sådant system ville være neutralt ladede, så materialet kunne klassificeres som en isolator.

Mens mange fysikere byggede på Motts interessante hypotese, var den hidtil aldrig blevet bevist i eksperimentelle omgivelser. Dette var indtil sidste år, hvor to forskellige forskerhold ved Princeton University og University of Washington indsamlede de første eksperimentelle beviser for en excitonisk isolerende tilstand i monolag wolfram ditellurid.

For nylig viste forskning fra yderligere to forskergrupper skabelsen af ​​excitoniske isolatorer ved hjælp af det, der er kendt som moiré-supergitter. Moiré-supergitter er heterostrukturer karakteriseret ved 2D-lag stablet oven på hinanden, med en snoningsvinkel eller en gittermismatch. Den første af disse undersøgelser, udført af teamet ved UC Berkeley og offentliggjort i Nature Physics , rapporterede observationen af ​​en korreleret mellemlags exciton-isoleringstilstand i en heterostruktur bestående af en WSe₂ monolag og en WS2/WSe₂ moiré dobbeltlag.

"Excitoniske isolatorer, først foreslået af N.F. Mott i 1961, var allerede blevet demonstreret i et kvante Hall-dobbeltlagssystem, hvor Landau-niveauer i et stærkt magnetfelt er flade elektroniske bånd, der undertrykker den kinetiske energi og forbedrer elektron-hul-korrelationen."

Zuocheng Zhang, en af ​​forskerne ved UC Berkeley, som udførte denne anden undersøgelse, fortalte Phys.org. "Vi overvejede, om vi kunne opnå interlayer exciton-isolatoren ved nul magnetfelt."

Moiré-supergitter er meget undersøgte strukturer, der også er kendt for at være vært for flade elektroniske bånd. Zhang og hans kolleger besluttede at integrere moiré-supergitteret i et dobbeltlagssystem og ledte derefter efter den excitoniske isolerende tilstand ved et magnetfelt på nul.

"Vi realiserede en dobbeltlags heterostruktur bestående af en WS₂ /WSe₂ moiré dobbeltlag og en WSe₂ monolag," forklarede Zhang. "Et 1 nm tykt hBN adskiller disse to lag. Vi stabler moiré-dobbeltlaget, isolerende hBN-lag og en WSe₂ monolag ved at bruge den polymerbaserede prøveoverførselsteknologi."

Den anden gruppe, der observerede en excitonisk isolator i et moiré-supergitter, omfattede forskere fra forskellige institutter i USA, Kina og Japan, herunder Rensselaer Polytechnic Institute, University of Electronic Science and Technology of China, University of California Riverside, University of Texas kl. Dallas, Arizona State University og National Institute for Materials Science i Japan. Dette store forskningssamarbejde brugte specifikt et naturligt dobbeltlags WSe₂ og et monolag WS2 for at konstruere en trelags excitonisk isolator.

"Målet med vores undersøgelse var at demonstrere en ny isolerende tilstand, foreslået for mere end 50 år siden af ​​Leonid Keldysh og andre," fortalte Sufei Shi, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Det forudsiges, at i en halvleder med lille båndgab eller en semimetal, vil sameksisterende elektroner og huller spontant bindes, når Coulomb-interaktionen er stærk, og danner en isolerende grundtilstand, excitonisk isolator. Denne tilstand menes at dele en vis lighed med kvasipartiklerne ( BCS kobberpar), der giver anledning til superledning og kan føre til makroskopiske sammenhængende fænomener."

Hovedformålet med det seneste arbejde af Shi og hans kolleger var at skabe et robust excitonisk isolatorsystem ved hjælp af 2D-materialer. Disse materialer blev kombineret for at danne en ny periodisk struktur ved hjælp af båndteknologiske teknikker.

"Vi vælger kombinationen af ​​et naturligt dobbeltlags WSe₂ og et enkeltlag WS2 til at konstruere en trelags excitonisk isolator," sagde Shi. "Begge disse materialer blev opnået gennem mekanisk eksfoliering (den samme teknik, der blev brugt til at opnå grafen)."

Efter at have fået materialerne til deres system, samlede forskerne dem til at danne et moiré-supergitter, der præcist styrede snoningsvinklen mellem lagene (dvs. med 0 eller 60 grader). De forsøgte derefter at konstruere det, så det ville have både elektroner og huller, for at aktivere den excitoniske isolatortilstand.

"I moiré-systemet dannes et fladt energibånd ved grænsefladen mellem WSe₂ og WS2, som giver os mulighed for at indstille bærebølgens polaritet, dvs. at bærerne er hullignende nær toppen af ​​båndet og elektronlignende nær bunden af ​​båndet," Prof. Yong-Tao Cui fra UC Riverside, senior forfatter til det andet værk, sagde.

"Det ekstra lag af WSe₂ bidrager med et hulbånd. Derfor kan vi ved at bruge et elektrisk felt indstille det flade moiré-bånd til værtselektroner, mens hullerne er i den anden WSe₂ band. Dette skaber tilstanden af ​​sameksisterende elektroner og huller, som interagerer stærkt for at danne den excitoniske isolatortilstand. Denne hypotese blev også bekræftet af beregningerne udført af prof. Chuanwei Zhangs gruppe ved UT Dallas."

Den nye korrelerede interlayer exciton isolator demonstreret af Zhang og hans kolleger ved UC Berkeley inkluderede hullerne i en båndisolator (i WSe₂ monolag) og elektroner fra en Mott-isolator (i WS2/WSe₂ moiré dobbeltlag). Isolatortilstanden, som Shi og hans kolleger demonstrerede, var på den anden side baseret på en naturlig WSe₂ dobbeltlag og et WS2 monolag.

"Vores undersøgelse fremhæver mulighederne for at udforske nye kvantefænomener i dobbeltlags moiré-systemer," tilføjede Zhang. "Interlayer-excitonerne i vores system kan potentielt danne et exciton-kondensat ved tilstrækkeligt lave temperaturer. Vi planlægger nu at udføre yderligere eksperimenter med henblik på demonstration af exciton-superfluiditet."

De seneste undersøgelser fra disse to forskerhold fremhæver potentialet ved dobbeltlags moiré-systemer som platforme til at realisere kvantefaser. I fremtiden kunne de bane vejen for mere forskning ved hjælp af moiré-supergitter til at studere 2D-korreleret mange-kropsfysik.

"Vi har konstrueret en robust excitonisk isolator med overgangstemperatur så høj som 90 K," tilføjede Shi. "Systemet er også meget tunerbart med et elektrisk felt. Dette robuste EI-system muliggør den fremtidige undersøgelse af EI, især af de nye kvantetilstande og deres makroskopiske sammenhængende effekter. For eksempel vil vi udforske excitonernes superfluiditet." + Udforsk yderligere

Forskere observerer moiré-trioner i H-stablede overgangsmetal dichalcogenid-dobbeltlag

© 2022 Science X Network