Moiré dan ontmoet het oog: fasonen stellen interlayer -excitonen in staat om bij lage temperaturen te bewegen voor kwantumstabiliteit

Een Moiré -patroon verschijnt wanneer u twee kopieën van een afbeelding stapelt en roteert met regelmatig herhalende vormen, het omzetten van eenvoudige patronen van vierkanten of driehoeken in een groovy golfpatroon dat over het gecombineerde beeld beweegt in een optisch genot.

Evenzo kan het stapelen van enkele lagen van sub-nanometer-dikke halfgeleidermaterialen die bekend staan ​​als overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s) een moirépotentiaal genereren, en nieuwe elektronische en opto-elektronische eigenschappen kunnen tussen de lagen ontstaan.

Een Moiré -potentieel is een “zeegezicht” van potentiële energie met regelmatig herhalende pieken en valleien. Ze werden eerder verondersteld stationair te zijn. Maar een team van onderzoekers van de Molecular Foundry bij Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft iets ongewoons ontdekt aan de Moiré -potentialen die ontstaan ​​wanneer TMD’s worden gestapeld: ze bewegen constant, zelfs bij lage temperaturen.

Hun ontdekking draagt ​​bij aan fundamentele kennis in de materiaalwetenschap. Het is ook veelbelovend voor het bevorderen van de stabiliteit van kwantumtechnologieën, omdat het beheersen van Moiré -potentialen zou kunnen helpen de decoherentie in qubits en sensoren te verminderen. Decoherentie treedt op wanneer interferentie de kwantumtoestand en zijn informatie verloren maakt. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in ACS nano.

Het onderzoek maakt deel uit van bredere inspanningen bij Berkeley Lab om kwantuminformatiesystemen te bevorderen door te werken aan het ecosysteem van Quantum Research, van theorie tot toepassing, om kwantumgebaseerde apparaten te fabriceren en te testen en software en algoritmen te ontwikkelen.

Onderzoek werd geleid door Antonio Rossi, een voormalige postdoctorale geleerde onder Molecular Foundry Staff Scientist Alex Weber-Bargioni. Rossi kwam terug naar Berkeley Lab om samen te werken met Molecular Foundry Staff Scientist Archana Raja en gebruik te maken van de tools in de beeldvorming en manipulatie van de nanostructurenfaciliteit van de gieterij.

Onverwachte mobiliteit in het Moiré -zeegezicht

Het laboratorium van Raja richt zich op het karakteriseren van 2D -materialen met behulp van ultrasnelle lasers en optische spectroscopie bij temperaturen onder -150 ° C. De gelaagde TMD -monsters opwindend met een groene gepulseerde laser geeft elektronen van energie en zorgt ervoor dat ze van hun grondtoestand naar een opgewonden station springen. Gehoogde elektronen laten een ‘gat’ achter met een positieve lading, wat resulteert in een elektron-gatpaar of exciton.

Van excitonen is bekend dat ze zich vormen binnen materialen met één legde. Excitons in het gestapelde tweelaagse systeem worden echter gescheiden; Elektronen gaan naar de wolfraamdisulfide -laag en positief geladen gaten worden achtergelaten in de wolfraamdisbenidelaag. In de materiaalgemeenschap staan ​​deze speciale laag-jumping-excitonen bekend als “interlayer excitons” of IX’s.

“Je zou verwachten dat de Moiré -valleien als vallen optreden,” zei Rossi. “Dus als de exciton daar eenmaal is, zit het in feite vast. Het is alsof je zit (in een vallei), en alles wat je kunt zien zijn de bergen om je heen. Je beweegt niet.”

Het team merkte echter op dat IXS het zeegezicht van de Moiré heeft verkend ondanks dat ze erin gevangen zat. “Er is heel weinig energie voor nodig om dit Moiré -potentieel te laten bewegen, dus de Moiré beweegt zich precies als een stormachtige zee,” legde Rossi uit.

“We hebben aangetoond dat zelfs bij zeer koude temperaturen, energie en informatie niet zo gelokaliseerd zijn als je zou verwachten. Dit gebeurt vanwege een speciale ‘mechanische eigenschap’ van het Moiré -patroon,” zei Raja. “Er zijn verschillende manieren om energie en informatie bij verschillende temperaturen te transporteren. Dit is een nieuwe manier om dat te doen.”

Medewerker Jonas Zipfel, een postdoctorale onderzoeker in de groep van Raja, werkte samen met Rossi om hun metingen te automatiseren om de beweging van de excitonen beter te begrijpen. “Het werk van Jonas zorgde ervoor dat we naadloos luminescentiespectra, afbeelding en levensduur (gegevens) konden verzamelen, die ons allemaal in staat stelden om de diffusiviteit (beweging) van de excitonen te extraheren,” zei Raja.

Om de observatie van excitonen in beweging mogelijk te maken, gebruikten Johannes Lischner en Indrajit Maity van Imperial College London simulaties om snapshots te verkrijgen van het potentiële “zeegezicht” van de Moiré. Ze wilden zien hoe het zich op verschillende tijdstippen gedroeg.

Door samen te werken met theoretici Lischner en Maity, kwam het onderzoeksteam tot de enige logische verklaring voor hun observaties: het Moiré -potentieel zelf moet bewegen.

Een quasiparticle op een lage temperatuur vangen in beweging

De onderzoekers hebben voorgesteld dat een quasiparticle met een lage temperatuur genaamd een phason de IX in staat stelt te bewegen, zelfs terwijl deze vastzit. Een quasiparticle is een kwantum energie in een kristalrooster; Het heeft momentum en positie en gedraagt ​​zich over het algemeen als een deeltje. Fasonen zijn quasiparticles waarvan wordt gedacht dat ze van nature aanwezig zijn in het Moiré -potentieel.

“Je hebt de (interlayer) exciton die op de moiré surft en rond beweegt,” verklaarde Rossi. Hij gelooft dat de phason de beweging bemiddelt op dezelfde manier als een surfplank een surfer toestaat om golven te vangen. “Het is op zekere zin een beetje de exciton dragen.”

Rossi en team vonden de beweging van de interlayer-excitonen binnen het Moiré-potentieel hoek en temperatuurafhankelijk. Hun beweging is maximaal wanneer TMD -lagen parallel zijn (wanneer de moleculen van de gestapelde lagen in dezelfde richting uitsluiten).

Onverwacht, naarmate de systeemtemperatuur nul nadert, loopt de beweging van de interlayer excitons geleidelijk aan op een getal dat iets hoger is dan nul, in plaats van tot een volledig stop te komen. En hoewel het aantal klein is, is het belangrijk.

Rossi legde uit: “Het was een verrassing om te ontdekken dat deze beweging plaatsvindt, zelfs bij echt lage temperaturen wanneer alles verondersteld wordt bevroren te zijn.”

Zijn volgende stappen omvatten het onderzoeken van de supergeleiding in gedraaide dubbellaagse grafeen die kan voortvloeien uit phason quasiparticles. Rossi doet momenteel onderzoek voor het centrum van nanotechnologie -innovatie bij Nest, Institute of Technology, Italië.

Raja is geïnteresseerd in het verkennen van verschillende halfgeleider- en Moiré -systemen. Ze is ook geïntrigeerd door de mogelijkheid om fasons direct te beelden. Ze zei: “Ons bewijs hier is door de diffusie van de (tussenlaag) exciton, maar we hebben de fason nog niet noodzakelijkerwijs op heterdaad betrapt.”