Trioner udviser nye karakteristika i moiré-supergitter

Når to ens atomlag med uoverensstemmende gitterkonstanter – den konstante afstand mellem et lags enhedsceller – og/eller orientering stables sammen, det resulterende dobbeltlag kan udvise et moiré-mønster og danne et moiré-supergitter.

Moiré-mønstre er interferensmønstre, der typisk opstår, når et objekt med et gentaget mønster placeres over et andet med et lignende mønster. Moiré supergitter, dannet af atomlag, kan udvise fascinerende fænomener, der ikke findes i de enkelte lag, åbner døren til teknologiske revolutioner på mange områder, herunder eltransmission, informationsteknik, og kvanteberegning.

Ved at skinne laserlys på halvledende moiré-supergitter dannet ved at stable to atomisk tynde materialer - monolag wolframdiselenid (WSe) ₂ ) og monolag molybdændiselenid (MoSe ₂ )-et hold ledet af forskere ved University of California, Riverside, og Academia Sinica i Taiwan fandt en ny klasse af elektroniske ophidsede tilstande kaldet "moiré-trioner".

"Disse triioner, som er indespærrede triontilstande i moiré-potentielle brønde - dyk i potentiel energi - i WSe ₂ /MoSe ₂ struktur, udviser nye egenskaber, der adskiller sig markant fra traditionelle trioners, " sagde Chun Hung (Joshua) Lui, en adjunkt ved Institut for Fysik og Astronomi ved UC Riverside, der ledede forskningen.

Studiet, udgivet 2. juni i Natur , åbner op for nye muligheder for at udvikle trion-baserede kvanteoptiske emittere og tilbyder nye tilgange til at udforske moiré-fysik.

En trion er en bundet tilstand af to elektroner og et hul, eller en elektron og to huller. Et hul er ledigheden af ​​en elektron. Trioner er de dominerende lysgivere og energibærere i atomisk tynde halvledere med ekstra ladninger. Ved at påføre eksterne spændinger, elektriske eller magnetiske felter, mange kendetegn ved trioner, såsom deres befolkning, emissionspolarisering, og bevægelse, kan styres. Trionernes alsidige tunbarhed gør dem nyttige til lysudsender, energi transport, og, potentielt, informationsoverførsel.

I homogene halvledere, trioner er frie til at bevæge sig og sprede sig, resulterer i brede optiske spektre. Imidlertid, i moiré supergitter, trioner bliver fanget i nærheden af ​​moiré-potentielle brønde og bliver til moiré-trioner. Deres indespærring der forhindrer tilfældig spredning.

"Vi finder ud af, at emissionslinjerne for moiré-trioner er mere end 10 gange skarpere end dem for frie trioner, " sagde Lui. "Da moiré-trionerne er rumligt isolerede, de kan udsende enkelte fotoner, gør dem til en mulig optisk kilde til kvanteinformationsteknologi."

"Vores arbejde peger på muligheden for at generere todimensionelle arrays af trioner i de periodiske moiré-potentiale brønde, " sagde Erfu Liu, en postdoc-forsker i Luis laboratorium og den første forfatter til forskningspapiret. "Sådanne 2D trion-arrays kan udvise rumlig sammenhæng, afsløre ny fysik, og find applikationer inden for laserteknologi."

Forskningen i moiré-trioner afslører også nogle nye fysik, der kan være nyttige i yderligere studier af moiré-supergitter.

"Moiré supergitter er kendt for at være vært for mange 'minibands' i deres elektroniske energibåndstruktur, " sagde Lui. "Sådanne minibands er afgørende for fascinerende fænomener, såsom superledning, i moiré supergitter. På grund af den lille energiafstand mellem disse minibånd, det er udfordrende at undersøge deres detaljerede struktur. Moiré trions inspirerer til en ny tilgang til at undersøge minibands."

Liu forklarede, at i konventionelle halvledere med relativt simple elektroniske bånd, en trion henfalder til den samme endelige elektroniske tilstand og viser kun én emissionslinje. Men i moiré-supergitter med flere elektroniske minibånd, en trion kan forfalde til stater i forskellige minibands, han sagde.

"Dette vil producere flere emissionslinjer, og energiadskillelsen af ​​disse linjer afspejler energiafstanden mellem minibåndene, " tilføjede han. "Vores resultater understøtter en sådan ny adfærd hos moiré-trioner og antyder, at moiré-trionspektroskopi kan udvikles til at sondere elektroner i moiré-supergitter."

I betragtning af moiré-trionernes nye karakteristika, Lui forventer, at forskning i moiré-trioner vil tiltrække stor opmærksomhed.

"Ja, relaterede undersøgelser af moiré-trioner blev også for nylig rapporteret af forskere ved Heriot-Watt University i Det Forenede Kongerige, Nanyang Technological University i Singapore, og Tsinghua University i Kina, " sagde han. "Jeg tror på, at forskning i moiré trion vil stige og føre til mange spændende opdagelser i fremtiden."

Forskningspapiret har titlen "Signaturer of moiré trions in WSe ₂ /MoSe ₂ heterobilag."