Elektrische controle over designer-kwantummaterialen

Het onderzoeken van de eigenschappen en het gedrag van sterk op elkaar inwerkende kwantumdeeltjes is een van de grenzen van de moderne natuurkunde. Er zijn niet alleen grote open problemen die op oplossingen wachten, sommige al tientallen jaren (denk aan supergeleiding bij hoge temperaturen). Even belangrijk is dat er verschillende regimes van kwantumfysica met veel lichamen zijn die in wezen ontoegankelijk blijven met de huidige analytische en numerieke hulpmiddelen. Met name voor deze gevallen wordt gezocht naar experimentele platforms waarin de interacties tussen deeltjes zowel kunnen worden gecontroleerd als afgestemd, waardoor de systematische verkenning van brede parameterbereiken mogelijk wordt. Een voorbeeld van zo’n experimenteel platform zijn zorgvuldig ontworpen stapels van tweedimensionale (2D) materialen. In de afgelopen jaren hebben deze ‘designer-kwantummaterialen’ unieke studies van gecorreleerde elektronische toestanden mogelijk gemaakt. De sterkte van de interactie tussen de kwantumtoestanden ligt echter meestal vast zodra een stapel is gefabriceerd. Nu meldt de groep van professor Ataç Imamoğlu van het Institute for Quantum Electronics een manier om deze beperking te omzeilen. Inschrijven Wetenschap, introduceren ze een veelzijdige methode die het mogelijk maakt om de interactiesterkte in 2D heterostructuren af ​​te stemmen door elektrische velden toe te passen.

Kracht in een twist

Tweedimensionale materialen staan ​​in de schijnwerpers van onderzoek in vaste toestand sinds de eerste succesvolle isolatie en karakterisering van grafeen – enkele lagen koolstofatomen – in 2004. Het veld breidde zich sindsdien met adembenemende snelheid uit, maar kreeg een opmerkelijke boost drie jaar geleden, toen werd aangetoond dat twee grafeenlagen die onder een kleine hoek ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt, een breed scala aan intrigerende fenomenen kunnen herbergen die worden gedomineerd door elektronische interacties.

Dergelijke ’twisted bilayer’-systemen, ook wel moiré-structuren genoemd, zijn vervolgens ook gemaakt met andere 2D-materialen, met name met overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s). Vorig jaar toonde de Imamoğlu-groep aan dat twee enkele lagen van het TMD-materiaal molybdeendiselenide (MoSe₂), gescheiden door een enkellaagse barrière gemaakt van hexagonaal boornitride (hBN), leveren moiré-structuren op waarin sterk gecorreleerde kwantumtoestanden ontstaan. Naast puur elektronische toestanden vertonen deze materialen ook hybride toestanden van licht-materie, wat uiteindelijk het bestuderen van deze heterostructuur door optische spectroscopie mogelijk maakt – iets dat niet mogelijk is met grafeen.

Maar voor alle fascinerende veellichamenfysica die deze MoSe₂/hBN/MoSe₂ structuren bieden toegang tot, ze delen een nadeel met veel andere solid-state platforms: de belangrijkste parameters zijn min of meer vast in fabricage. Om dat te veranderen, heeft het team, geleid door postdocs Ido Schwartz en Yuya Shimazaki, nu een tool aangenomen die veel wordt gebruikt in experimenten op een platform dat beroemd is om zijn afstembaarheid, ultrakoude atomaire kwantumgassen.

Feshbach-resonanties worden elektrisch

Schwartz, Shimazaki en hun collega’s toonden aan dat ze in hun systeem een ​​zogenaamde Feshbach-resonantie kunnen opwekken. Deze maken het in wezen mogelijk om de interactiesterkte tussen kwantumentiteiten af ​​te stemmen door ze in resonantie te brengen met een gebonden toestand. In het geval dat door het ETH-team is onderzocht, liggen deze grenstoestanden tussen een exciton (gemaakt met behulp van de optische overgangen in hun systeem) in de ene laag en een gat in de andere laag. Het blijkt dat wanneer exciton en gat elkaar ruimtelijk overlappen, de laatste kan tunnelen naar de andere laag en een tussenlaag exciton-gat ‘molecuul’ kan vormen (zie de figuur). Cruciaal is dat de relevante interlaaginteractiesterkte van de exciton-gat-interacties gemakkelijk kan worden veranderd met behulp van elektrische velden.

Deze elektrische afstembaarheid van de bindingsenergie van de ‘Feshbach-moleculen’ is in tegenstelling tot atomaire systemen, waar Feshbach-resonanties typisch worden gecontroleerd met magnetische velden. Bovendien zijn de experimenten van Schwartz, Shimazaki et al. leveren de eerste Feshbach-resonanties op die plaatsvinden in echt 2D-systemen, wat op zich al interessant is. Belangrijker zou echter kunnen zijn dat de elektrisch afstembare Feshbach-resonanties die nu in MoSe . worden onderzocht₂/hBN/MoSe₂ heterostructuren zouden een algemeen kenmerk moeten zijn van dubbellaagse systemen met coherente tunneling van elektronen of gaten. Dit betekent dat de nieuw geïntroduceerde ‘afstemknop’ een veelzijdig hulpmiddel kan worden voor een breed scala aan solid-state platforms op basis van 2D-materialen, wat op zijn beurt intrigerende perspectieven opent voor de bredere experimentele verkenning van kwantum veel-lichaamssystemen.