Trions vertonen nieuwe kenmerken in moiré-superroosters

Wanneer twee vergelijkbare atomaire lagen met niet-overeenkomende roosterconstanten – de constante afstand tussen de eenheidscellen van een laag – en/of oriëntatie op elkaar worden gestapeld, kan de resulterende dubbellaag een moiré-patroon vertonen en een moiré-superrooster vormen.

Moiré-patronen zijn interferentiepatronen die typisch ontstaan ​​wanneer een object met een zich herhalend patroon over een ander object met een vergelijkbaar patroon wordt geplaatst. Moiré-superroosters, gevormd door atomaire lagen, kunnen fascinerende fenomenen vertonen die niet in de afzonderlijke lagen worden gevonden, en openen de deur naar technologische revoluties op veel gebieden, waaronder elektriciteitstransmissie, informatietechnologie en kwantumcomputers.

Door laserlicht te schijnen op halfgeleidende moiré-superroosters gevormd door twee atomair dunne materialen op elkaar te stapelen – monolaag wolfraamdiselenide (WSe₂) en monolaag molybdeendiselenide (MoSe₂) – een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Riverside en Academia Sinica in Taiwan vond een nieuwe klasse van elektronische opgewonden toestanden genaamd “moiré trions.”

“Deze trions, die opgesloten trion-toestanden zijn in moiré-potentiaalbronnen – dips in potentiële energie – van de WSe₂/MoSe₂ structuur, vertonen nieuwe kenmerken die duidelijk verschillen van die van conventionele trions,” zei Chun Hung (Joshua) Lui, een assistent-professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan UC Riverside, die het onderzoek leidde.

De studie, gepubliceerd op 2 juni in Natuur, opent nieuwe mogelijkheden om op trion gebaseerde kwantumoptische emitters te ontwikkelen en biedt nieuwe benaderingen om de moiré-fysica te verkennen.

Een trion is een gebonden toestand van twee elektronen en één gat, of één elektron en twee gaten. Een gat is de leegte van een elektron. Trionen zijn de dominante lichtstralers en energiedragers in atomair dunne halfgeleiders met extra ladingen. Door externe spanningen, elektrische of magnetische velden aan te leggen, kunnen veel kenmerken van trions, zoals hun populatie, emissiepolarisatie en beweging, worden gecontroleerd. De veelzijdige afstembaarheid van de trions maakt ze bruikbaar voor lichtzenders, energietransport en, mogelijk, informatieoverdracht.

In homogene halfgeleiders zijn trionen vrij om te bewegen en te verstrooien, wat resulteert in brede optische spectra. In moiré-superroosters komen trions echter vast te zitten in de buurt van moiré-potentiële putten en worden moiré-trions. Hun opsluiting daar voorkomt willekeurige verstrooiing.

“We vinden dat de emissielijnen van moiré-trions meer dan 10 keer scherper zijn dan die van vrije trions,” zei Lui. “Omdat de moiré-trionen ruimtelijk geïsoleerd zijn, kunnen ze enkele fotonen uitzenden, waardoor ze een haalbare optische bron zijn voor kwantuminformatietechnologie.”

“Ons werk wijst op de mogelijkheid om tweedimensionale arrays van trions te genereren in de periodieke moiré-potentiaalputten,” zei Erfu Liu, een postdoctoraal onderzoeker in Lui’s lab en de eerste auteur van het onderzoekspaper. “Dergelijke 2D-trion-arrays kunnen ruimtelijke samenhang vertonen, nieuwe fysica onthullen en toepassingen vinden in lasertechnologie.”

Het onderzoek naar moiré-trions onthult ook enkele nieuwe fysica die nuttig kan zijn bij de verdere studie van moiré-superroosters.

“Van Moiré-superroosters is bekend dat ze veel ‘minibands’ herbergen in hun elektronische energiebandstructuur,” zei Lui. “Dergelijke minibanden zijn cruciaal voor fascinerende fenomenen, zoals supergeleiding, in moiré-superroosters. Vanwege de kleine energieafstand tussen deze minibanden is het een uitdaging om hun gedetailleerde structuur te onderzoeken. Moiré-trions inspireren een nieuwe benadering om de minibands te onderzoeken.”

Liu legde uit dat in conventionele halfgeleiders met relatief eenvoudige elektronische banden, een trion vervalt in dezelfde uiteindelijke elektronische toestand en slechts één emissielijn vertoont. Maar in moiré-superroosters met meerdere elektronische minibands kan een trion in verschillende minibands in toestanden vervallen, zei hij.

“Dit zal meerdere emissielijnen produceren, en de energiescheiding van deze lijnen weerspiegelt de energie-afstand van de minibanden,” hij voegde toe. “Onze resultaten ondersteunen dergelijk nieuw gedrag van moiré-trionen en suggereren dat moiré-trion-spectroscopie kan worden ontwikkeld om elektronen in moiré-superroosters te onderzoeken.”

Gezien de nieuwe kenmerken van moiré-trions, verwacht Lui dat onderzoek naar moiré-trions veel aandacht zal trekken.

“Er zijn recentelijk ook verwante studies van moiré-trionen gerapporteerd door onderzoekers van de Heriot-Watt University in het Verenigd Koninkrijk, de Nanyang Technological University in Singapore en de Tsinghua University in China.” hij zei. “Ik geloof dat het onderzoek naar moiré trion zal toenemen en in de toekomst tot veel opwindende ontdekkingen zal leiden.”

De onderzoekspaper is getiteld “Handtekeningen van moiré trions in WSe₂/MoSe₂ heterobilagen.”