Экситоны — связанные состояния между электроном (то есть отрицательно заряженной частицей) и дыркой (то есть отсутствием электрона) в материалах — являются ключевым направлением исследований в физике конденсированных сред. Эти связанные состояния могут приводить к интересным и необычным квантово-физическим эффектам, которые могут быть использованы для разработки оптоэлектронных и квантовых технологий.
В течение последних нескольких лет физики наблюдали особый тип экситонов, известных как межслойные экситоны, в различных материалах с двумя слоями (то есть двуслойных материалах). Межслойный экситон — это связанное состояние между электроном и дыркой, находящимися в двух разных слоях материала.
Исследователи из Гарвардского университета и других институтов недавно наблюдали необычную гибридизацию межслойных экситонов в двуслойном полупроводнике, состоящем из двух слоёв дисульфида молибдена (MoS₂).
Их статья, опубликованная в Nature Physics, может предложить косвенные экспериментальные доказательства коллективного квантового состояния, которое давно предполагалось теоретически, но ещё не наблюдалось экспериментально.
«В этой области двумерных полупроводников, особенно на основе дихалькогенидов переходных металлов, исследователи преследовали два основных направления исследований», — сказал Phys.org Павел Е. Долгирев, соавтор статьи.
«Первое обусловлено тем, что это материалы с прямой запрещённой зоной, в которых присутствуют оптические экситоны (экситон — это связанное состояние электрона и дырки, подобно атому), что делает их весьма перспективными для оптоэлектронных устройств. Второе — их диэлектрическая среда и доступные плотности заряда помещают эти материалы в сильно взаимодействующий двумерный режим — режим, о котором мы очень мало знаем теоретически, но который, тем не менее, можно исследовать экспериментально».
Межслойные экситоны в двуслойных структурах имеют большой дипольный момент, что означает, что положительные и отрицательные заряды в этих материалах разделены относительно большим расстоянием. В результате этого большого дипольного момента экситоны очень чувствительны и реагируют на приложенные электрические поля и шум в виде электрических полей.
«Особенно интригующей является идея о том, что суперпозиция равных весов таких противоположных диполей сформирует состояние, которое больше не будет взаимодействовать с электрическими полями вообще», — сказал Долгирев.
В рамках своих экспериментов Долгирев и его коллеги попытались обнаружить когерентность между межслойными электронами в двуслойном полупроводнике MoS₂ с помощью оптического метода. В частности, они осветили образец двуслойного MoS₂ широкополосным белым светом и измерили отражённый сигнал, одновременно регулируя плотность электронов с помощью напряжения на затворе.
«Этот оптический подход особенно эффективен: он позволяет нам выборочно исследовать определённые спиновые и долинные состояния через чётко определённые оптические переходы», — объяснила Надин Лейсганг, соавтор статьи.
«Более того, межслойные экситоны, в которых электрон и дырка находятся в разных слоях, очень чувствительны к электрическим полям и их электронной среде. Тщательно анализируя, как экситонные особенности в отражённых спектрах менялись в зависимости от плотности электронов, температуры и магнитного поля, мы смогли выявить чёткие признаки межслойной электронной когерентности».
Экспериментальные наблюдения команды показывают, что межслойные экситоны, которые обычно не связаны, действительно гибридизовались после легирования их образца. Это означает, что два состояния экситонов «смешались вместе», образуя новые общие состояния. Наблюдаемая ими гибридизация весьма необычна, но она может открыть новые возможности для косвенной электронной манипуляции когерентностью между экситонами.
«Мы также обнаружили косвенные признаки межслойной электронной когерентности», — сказал Долгирев. «Это важно не только потому, что обнаружение такого состояния без приложенного магнитного поля долгое время было сложной задачей, но и потому, что мы наблюдаем эти признаки (соответствующие так называемому стохастическому антипересечению) при температурах до 75 К. Это поднимает интригующую возможность сверхтекучего поведения при довольно высоких температурах».
Гибритизация экситонов, наблюдаемая Долгиревым и его коллегами, может быть предвестником так называемой конденсации экситонов — давно предполагаемого коллективного квантового состояния, включающего несколько связанных пар электрон-дырка.
Сейчас они пытаются определить, может ли подобная гибридизация также происходить между так называемыми квадрупольными экситонами в трёхслойных материалах, которые также обещают для разработки оптоэлектронных устройств.
«Кроме того, мы также изучаем, можно ли сделать эту гибридизацию полностью когерентной, а не стохастической, путём скручивания слоёв относительно друг друга», — добавил Долгирев.
«Согласно нашим выводам, такой поворот должен стабилизировать фазу параметра порядка, тем самым уменьшая стохастичность в гибридизации. Одновременно мы также планируем эксперименты, которые могут пролить больше света на лежащее в основе электронное коллективное квантовое состояние».