Муаровые суперилиаты — это периодические структуры, которые образуются, когда два или более тонких полупроводниковых слоя укладываются со слегка смещённым углом или несоответствием решётки. При формировании таких структур их электронные, механические и оптические свойства могут значительно изменяться.
За последние десятилетия муаровые суперилиаты стали перспективной платформой для изучения нетрадиционных и неизвестных физических состояний. Они также позволили наблюдать уникальные конфигурации экситонов (то есть расположение связанных электронно-дырочных пар).
В двуслойных муаровых системах, основанных на двумерных дихалькогенидах переходных металлов (ДМДМ), физики наблюдали межслойные дипольные экситоны. Это экситоны, образующиеся, когда электрон и дырка связаны вместе в разных слоях слоистого двумерного полупроводника.
Исследовательская группа под руководством Суфэй Ши из Университета Карнеги-Меллона, сотрудничая с учёными из Политехнического института Ренсселера, Университета штата Аризона и других институтов, недавно определила перспективный подход к управлению экситонными состояниями в атомарно тонком полупроводнике.
Их стратегия, описанная в статье, опубликованной в Nature Photonics, позволила им инициировать и стабилизировать переходы между квадрупольными и дипольными экситонами — двумя недавно обнаруженными конфигурациями экситонов — в трёхслойной муаровой суперилиате.
Открытие нового вида экситонов
«Ранее мы идентифицировали новый вид экситона, называемый квадрупольным экситоном (QX), в трёхслойной муаровой суперилиате. Мы также обнаружили признак сильной корреляции между экситонами в муаровой двуслойке», — рассказал Суфэй Ши, старший автор статьи, изданию Phys.org.
«У меня всегда был вопрос, как сильная корреляция (определяемая как кулоновское взаимодействие по отношению к кинетической энергии) влияет на QX, и, что ещё лучше, можно ли использовать корреляцию для управления QX».
В рамках своего исследования Ши и его коллеги создали гетероструктуры с двойным затвором, состоящие из трёх слоёв WSe₂/WS₂/WSe₂ с заданным выравниванием. Архитектура этих гетероструктур позволила команде точно контролировать как вертикальные электрические поля в них, так и легирование носителей заряда.
Исследователи изучили экситонные состояния в созданных ими устройствах с помощью метода, известного как низкотемпературная оптическая спектроскопия. Чтобы инициировать переходы между различными конфигурациями экситонов, они использовали два основных метода.
«Сначала мы контролировали плотность экситонов с помощью мощности возбуждения», — пояснил Ши. «Как только плотность экситонов достигает двух на один сайт муарового узора, корреляцию между экситонами нельзя игнорировать, и она приводит к переходу QX в DX, где DX представляет собой шахматный противоположный дипольный экситон в трёхслойной структуре. Кроме того, мы контролировали плотность электронов в системе, используя сильные электронные и экситонные взаимодействия».
На основе записанных данных исследователи смогли составить подробную фазовую диаграмму, которая определяет условия, при которых преобладают конфигурации QX и DX в трёхслойной структуре. Это позволило получить интересные сведения о факторах, способствующих появлению QX в трёхслойных муаровых суперилиатах на основе двумерных полупроводников.
«Мы обнаружили, что корреляция играет важную роль в формировании поведения QX», — сказал Ши. «Это подтверждает, что муаровые трёхслойные суперилиаты являются плодотворной платформой для изучения коррелированной физики, которая не даёт аналитического решения, но часто обладает экзотическими свойствами, которые мы хотим (такими как сверхтекучесть, где квазичастица может перемещаться с минимальным потреблением энергии). Это позволит нам использовать QX для построения новой квантовой фазы».
Недавняя работа Ши и его коллег открывает новые возможности для управления экситонами в многослойных муаровых суперилиатах. В будущем новый подход может быть использован для реализации новых квантовых и коррелированных физических состояний, возникающих из специфических конфигураций экситонов.
Кроме того, это недавнее исследование может в конечном итоге проложить путь для разработки новых квантовых оптоэлектронных и фотонных устройств. Тем временем команда планирует провести дальнейшие исследования, изучая возникновение QX и DX в других гетероструктурах и структурированных подложках.
«В рамках наших следующих исследований мы продолжим изучать коррелированную физику в этой системе в ближайшем будущем, такую как экситонный изолятор Мотта или бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК)», — добавил Ши.