Een ontwerp om moiré-excitons in TMDC-superroosters af te stemmen door verschillende vrijheidsgraden van lagen

Overgangsmetaal dichalcogeniden (TMDC’s) zijn een opkomende en veelbelovende klasse van materialen die bestaat uit een atomaire laag van een overgangsmetaal die is ingeklemd tussen twee lagen chalcogeen-atomen. Deze 2D-materialen hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen, omdat ze aanleiding kunnen geven tot sterke elektronische correlaties en fascinerende gecorreleerde toestanden, waardoor moiré-excitonen (dwz gebonden elektron-gat-paren) kunnen worden geproduceerd.

Moiré-excitons zouden nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor het creëren van nieuwe, goed presterende apparaten, waaronder lasers, single-photon emitters en kwantumtechnologieën. Om deze apparaten echter effectief te laten werken, moeten natuurkundigen en computerwetenschappers in staat zijn om zowel moiré-excitonen als elektronische toestanden betrouwbaar af te stemmen.

Onderzoekers van het Polytechnic Institute van de Universiteit van Rensselaer, UC Riverside en andere instituten in de VS, China en Japan hebben onlangs een nieuwe strategie geïntroduceerd om moiré-excitons en gecorreleerde elektronische toestanden in TMDC’s af te stemmen. Deze methode, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatieomvat de manipulatie van vrijheidsgraden tussen TMDC-lagen.

“Eerdere werken, waaronder onze eigen werken, hebben aangetoond dat WS₂/WSe₂ moiré-superroosters vertonen zowel moiré-modulatie van excitonen als een sterke elektron-elektroncorrelatie, wat aanleiding geeft tot opwindende mogelijkheden in moiré-excitonics en gecorreleerde fysica,” vertelde Sufei Shi, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. “In onze recente studie, wilden we de mogelijkheden demonstreren om de excitonische fysica en elektronencorrelatie verder af te stemmen door de vrijheidsgraad van lagen.”

Om de vrijheidsgraad van een laag in hun WS . te introduceren₂/WSe₂ superrooster, hebben de onderzoekers de WSe . afgestemd₂ van monolaag naar dubbellaag en drielaags. Vervolgens observeerden ze de impact die deze veranderingen hadden op de moiré-excitonen en elektronische toestanden van het materiaal.

“We hebben de WS . gebouwd₂/WSe₂ met behulp van monolaag, dubbellaag en drielaags WSe₂“, legde Shi uit. “De monolaag tot drielaagse WSe₂ kan worden verkregen via een proces dat bekend staat als mechanische exfoliatie, en we hebben geprobeerd regio’s met verschillende lagen in dezelfde vlok te vinden, zodat we ze tijdens experimenten direct konden vergelijken.”

De experimenten van Shi en zijn collega’s leverden zeer interessante resultaten op. Het meest opvallende was dat de onderzoekers ontdekten dat door de vrijheidsgraad van de laag te veranderen, ze op betrouwbare wijze de resonanties van moiré-excitonen in het materiaal konden moduleren. Dit benadrukt het potentieel van hun strategie voor het gevoelig afstemmen van moiré-excitonbanden in TMDC’s en mogelijk andere superroosters.

“We ontdekten ook dat de elektronencorrelatie behouden blijft, zelfs voor drielaagse WSe2, ondanks de verhoogde diëlektrische screening,” zei Yong-Tao Cui, een andere senior auteur van dit werk. “Dit suggereert dat we knoppen zoals elektrisch veld kunnen combineren om nieuwe toestanden in de meerlaagse WSe te ontwikkelen₂/WS₂ moiré systeem. Ons recente artikel (Natuurfysica 18, 1171-176, 2022) op de toestand van de excitonische isolator in de dubbellaagse WSe₂/ enkellaags WS₂ is daar een gevolg van.”

De nieuwe methode voor het afstemmen van de sterke elektronische correlaties en moiré-excitonen, geïntroduceerd door Shi en zijn collega’s, biedt spannende mogelijkheden voor zowel onderzoek als technologische ontwikkeling. Het meest opvallende is dat het door onderzoekers over de hele wereld kan worden gebruikt om verschillende kwantumverschijnselen te bestuderen en te ontwikkelen.

“We willen nu het elektrische veld verder toepassen en zoeken naar nieuwe gecorreleerde toestanden die in dit systeem kunnen worden geconstrueerd, vooral die met een niet-triviale topologie”, voegde Shi eraan toe.