Dannelsen af ​​en excitonisk Mott-isolatortilstand i et moiré-supergitter

Når en negativt ladet elektron og et positivt ladet hul i et par forbliver bundet sammen efter excitation af lys, producerer de tilstande kendt som excitoner. Disse tilstande kan påvirke materialers optiske egenskaber, hvilket igen muliggør deres anvendelse til udvikling af forskellige teknologier.

Et team af forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute, Imperial College London, University of California Riverside, Carnegie Mellon University og andre institutter verden over har studeret dannelsen af ​​excitoner i årevis nu, mens de også har forsøgt at identificere nye lovende materialer til optoelektroniske applikationer.

I et papir, udgivet i Nature Physics , præsenterer de beviser for en såkaldt excitonisk Mott-isolatortilstand i en WSe₂ /WS₂ baseret moiré-supergitter (dvs. et periodisk interferensmønster, der opstår ved at overlejre to atomlag med en lidt forskellig periodicitet).

"I vores tidligere arbejde har vi vist, at elektron- og elektronkorrelationsinteraktion er stærk i denne WSe₂ /WS₂ moiré superlattice," fortalte Sufei Shi, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org.

"Vi formoder, at exciton-elektron- og exciton-exciton-interaktionen også er stærk. Vi kan potentielt bruge denne stærke exciton-korrelation til at realisere nye kvantetilstande af excitoner, som er bosoner og ville være anderledes end fermioner (elektroner)."

Shi og hans kolleger har studeret moiré-supergitter i et stykke tid på grund af deres unikke struktur, der gør dem ønskværdige til at manipulere excitoner. Disse strukturer består af to eller flere atomisk tynde krystaller stablet oven på hinanden, men i en karakteristisk snoet vinkel, der producerer det, der er kendt som "gittermismatch."

I deres tidligere forskning viste forskerne, at interaktionen mellem elektroner var særlig stærk i et moiré-supergitter baseret på WSe₂ og WS₂ krystaller. I deres nye papir satte de sig for yderligere at undersøge den samme struktur og udforske dens potentiale som en platform til at realisere kvantetilstande af excitoner.

"I vores eksperiment brugte vi for det meste optiske spektroskopiteknikker, især fotoluminescens (PL) spektroskopi," forklarede Shi. "Den udsendte fotonenergi fra interlayer-exciton som funktion af dopingen (elektroner eller huller tilføjet til moiré-supergitteret) og excitationskraft (kontrollerer det gennemsnitlige antal exciton-densitet) afslører den stærke elektron-exciton-repulsion og exciton-exciton-repulsion."

Eksperimenterne udført af Shi og hans kolleger samlede beviser for, at en exciton-drevet Mott-isolatortilstand opstår i WSe₂ /WS₂ struktur, specifikt når en mellemlags exciton optager en celle i en celle i moiré-supergitteret. Denne tilstand kunne have interessante implikationer for undersøgelsen og udviklingen af ​​kvantesystemer.

"Den mest bemærkelsesværdige præstation af vores undersøgelse er dannelsen af ​​en excitonisk Mott-isolatortilstand, som er en forudsigelse af den bosoniske Hubbard-model," sagde Shi. "Dette viser, at exciton-korrelationen faktisk er stærk i moiré-supergitteret, og vi kan bruge det til at konstruere kvantetilstande, der stammer fra Hamiltonian med mange kroppe af bosoner."

Den nylige undersøgelse fra dette hold af forskere validerer tidligere resultater yderligere og fremhæver potentialet i denne WS₂ /WSe₂ moiré supergitter til at studere og konstruere nye korrelerede tilstande. Den excitoniske Mott-isolatorstat, som den afslørede, kunne reproduceres og undersøges yderligere i fremtidig forskning, samtidig med at den informerede andre værker, der bruger den samme eksperimentelle platform.

"I vores næste undersøgelser ønsker vi at udforske dalens spin, en ny kvantegrad af frihed, i denne excitoniske Mott-isolatortilstand," tilføjede Shi. "Vi ønsker også at bruge vores nye forståelse til at konstruere ny kvantetilstand og udføre kvantesimuleringer baseret på excitoner eller exciton-elektronblanding."

Flere oplysninger: Zhen Lian et al., Valley-polarized excionic Mott isolator in WS2/WSe2 moiré superlattice, Nature Physics (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02266-2.

Journaloplysninger: Naturfysik

© 2023 Science X Network