Elektrisk kontrol over designer kvantematerialer

At udforske egenskaberne og adfærden af ​​stærkt interagerende kvantepartikler er en af ​​grænserne for moderne fysik. Ikke alene er der store åbne problemer, der venter på løsninger, nogle af dem siden årtier (tænk højtemperatursuperledning). Lige så vigtigt er der forskellige regimer inden for kvante-mange-kropsfysik, som forbliver i det væsentlige utilgængelige med nuværende analytiske og numeriske værktøjer. Især til disse tilfælde er der efterspurgt eksperimentelle platforme, hvor interaktionerne mellem partikler både kan kontrolleres og tunes, og dermed tillader den systematiske udforskning af brede parameterområder. En sådan eksperimentel platform er omhyggeligt konstruerede stakke af todimensionelle (2D) materialer. I løbet af de sidste par år har disse 'designer-kvantematerialer' muliggjort unikke undersøgelser af korrelerede elektroniske tilstande. Styrken af ​​interaktionen mellem kvantetilstandene er dog typisk fast, når en stak er fremstillet. Nu rapporterer gruppen af ​​professor Ataç Imamoğlu ved Institute for Quantum Electronics en vej uden om denne begrænsning. At skrive i videnskab , introducerer de en alsidig metode, der muliggør tuning af interaktionsstyrken i 2D-heterostrukturer ved at anvende elektriske felter.

Styrke i et twist

Todimensionelle materialer har været i søgelyset for solid-state forskning lige siden den første vellykkede isolering og karakterisering af grafen – enkelte lag af kulstofatomer – i 2004. Feltet udvidede sig med en betagende hastighed lige siden, men fik et bemærkelsesværdigt løft for tre år siden, da det blev vist, at to grafenlag arrangeret i en lille vinkel i forhold til hinanden kan være vært for en bred vifte af spændende fænomener domineret af elektroniske interaktioner.

Sådanne 'snoede dobbeltlags'-systemer, også kendt som moiré-strukturer, er efterfølgende også blevet skabt med andre 2D-materialer, især med overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er). Sidste år demonstrerede Imamoğlu-gruppen, at to enkeltlag af TMD-materialet molybdændiselenid (MoSe₂ ), adskilt af en enkeltlagsbarriere lavet af hexagonal bornitrid (hBN), giver moiré-strukturer, hvori stærkt korrelerede kvantetilstande opstår. Ud over rent elektroniske tilstande udviser disse materialer også hybride lys-stof-tilstande, som i sidste ende gør det muligt at studere disse heterostrukturer ved optisk spektroskopi - noget der ikke er muligt med grafen.

Men for al den fascinerende mangekropsfysik, som disse MoSe₂ /hBN/MoSe₂ strukturer giver adgang til, de deler en ulempe med mange andre solid-state platforme:nøgleparametrene er mere eller mindre faste i fremstillingen. For at ændre det har holdet, ledet af postdocs Ido Schwartz og Yuya Shimazaki, nu vedtaget et værktøj, der er meget brugt i eksperimenter på en platform, der er berømt for sin tunerbarhed, ultrakolde atomare kvantegasser.

Feshbach-resonanser bliver elektriske

Schwartz, Shimazaki og deres kolleger demonstrerede, at de kan fremkalde en såkaldt Feshbach-resonans i deres system. Disse tillader i det væsentlige at tune interaktionsstyrken mellem kvanteentiteter ved at bringe dem i resonans med en bundet tilstand. I det tilfælde, som ETH-teamet har udforsket, er disse grænsetilstande mellem en exciton (skabt ved hjælp af de optiske overgange i deres system) i et lag og et hul i det andet lag. Det viser sig, at når exciton og hul rumligt overlapper hinanden, så kan sidstnævnte tunnelere til det andet lag og danne et inter-lag exciton-hul 'molekyle' (se figuren). Det er afgørende, at den relevante inter-lags interaktionsstyrke af exciton-hul-interaktionerne let kan ændres ved hjælp af elektriske felter.

Denne elektriske afstemning af 'Feshbach-molekylernes' bindingsenergi er i modsætning til atomare systemer, hvor Feshbach-resonanser typisk styres med magnetiske felter. Desuden forsøgte Schwartz, Shimazaki et al. give de første Feshbach-resonanser, der finder sted i ægte 2D-systemer, hvilket er af interesse i sig selv. Vigtigere kan det dog være, at de elektrisk indstillelige Feshbach-resonanser, der er udforsket nu i MoSe₂ /hBN/MoSe₂ heterostrukturer bør være et generisk træk ved dobbeltlagssystemer med sammenhængende tunnelering af elektroner eller huller. Dette betyder, at den nyligt introducerede 'tuning-knap' kan blive et alsidigt værktøj til en bred vifte af solid-state platforme baseret på 2D-materialer - hvilket igen åbner op for spændende perspektiver for den bredere eksperimentelle udforskning af kvante-mangekropssystemer. + Udforsk yderligere

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