Die Bildung eines excitonischen Mott-Isolator-Zustands in einer Moiré-Superlattice.

27. November 2023

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Wenn ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes Lochpaar nach einer Anregung durch Licht weiterhin miteinander verbunden bleiben, entstehen Zustände, die als Exzitonen bezeichnet werden. Diese Zustände können die optischen Eigenschaften von Materialien beeinflussen und somit ihre Verwendung zur Entwicklung verschiedener Technologien ermöglichen.

Ein Team von Forschern des Rensselaer Polytechnic Institute, des Imperial College London, der University of California Riverside, der Carnegie Mellon University und anderer Institute weltweit beschäftigt sich seit Jahren mit der Bildung von Exzitonen und versucht gleichzeitig, neue vielversprechende Materialien für optoelektronische Anwendungen zu identifizieren.

In einem in Nature Physics veröffentlichten Artikel präsentieren sie Beweise für einen sogenannten exzitonischen Mott-Isolator-Zustand in einer WSe2/WS2-basierten moirén Überstruktur (dh ein periodisches Interferenzmuster, das durch Überlagern von zwei atomaren Schichten mit leicht unterschiedlicher Periodizität entsteht).

"In unserer vorherigen Arbeit haben wir gezeigt, dass die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Elektronenkorrelation in dieser WSe2/WS2-moirén Überstruktur stark ist", erklärte Sufei Shi, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. "Wir vermuten, dass die Wechselwirkung zwischen Exziton-Elektron und Exziton-Exziton ebenfalls stark ist. Wir können diese starke Exziton-Korrelation potenziell nutzen, um neue Quantenzustände von Exzitonen zu realisieren, die Bosonen sind und sich von Fermionen (Elektronen) unterscheiden würden."

Shi und seine Kollegen beschäftigen sich bereits seit einiger Zeit mit Moiré-Übergittern aufgrund ihrer einzigartigen Struktur, die sie für die Manipulation von Exzitonen interessant macht. Diese Strukturen bestehen aus zwei oder mehr atomar dünnen Kristallen, die übereinander gestapelt sind, jedoch bei einem charakteristisch verdrehten Winkel, was als "lattice mismatch" bekannt ist.

In ihrer vorherigen Forschung haben die Forscher gezeigt, dass die Wechselwirkung zwischen Elektronen in einem Moiré-Übergitter, das auf WSe2- und WS2-Kristallen basiert, besonders stark ist. In ihrem neuen Artikel haben sie sich zum Ziel gesetzt, diese gleiche Struktur weiter zu untersuchen und ihr Potenzial als Plattform zur Realisierung von Quantenzuständen von Exzitonen zu erforschen.

"In unserem Experiment haben wir hauptsächlich optische Spektroskopietechniken verwendet, insbesondere die Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie", erklärte Shi. "Die emittierte Photonenenergie des interlayer Exzitons in Abhängigkeit von der Dotierung (Elektronen oder Löcher hinzugefügt zum Moiré-Übergitter) und der Anregungsleistung (Kontrolle der durchschnittlichen Anzahl der Exzitonen-Dichte) zeigt die starke Elektron-Exziton-Abstoßung und Exziton-Exziton-Abstoßung."

Die von Shi und seinen Kollegen durchgeführten Experimente lieferten Beweise dafür, dass in der WSe2/WS2-Struktur ein exziton-getriebener Mott-Isolator-Zustand entsteht, insbesondere wenn ein interlayer Exziton eine Zelle in einem Zellengitter des Moiré-Übergitters einnimmt. Dieser Zustand könnte interessante Auswirkungen auf die Erforschung und Entwicklung von Quantensystemen haben.

"Die bemerkenswerteste Leistung unserer Studie ist die Bildung eines exzitonischen Mott-Isolator-Zustands, der eine Vorhersage des bosonischen Hubbard-Modells ist", sagte Shi. "Dies zeigt, dass die Exziton-Korrelation tatsächlich stark im Moiré-Übergitter ist und wir das nutzen können, um Quantenzustände auf der Basis des Many-Body-Hamiltonians von Bosonen zu konstruieren."

Die jüngste Studie dieses Forscherteams bestätigt weitere frühere Ergebnisse und verdeutlicht das Potenzial dieses WS2/WSe2-Moiré-Übergitters für die Erforschung und Entwicklung neuer korrelierter Zustände. Der vorgestellte exzitonische Mott-Isolator-Zustand könnte in zukünftiger Forschung reproduziert und weiter untersucht werden und auch andere Arbeiten mit derselben experimentellen Plattform informieren.

"In unseren nächsten Studien möchten wir das valley-spin, einen neuen Quantenfreiheitsgrad, dieses exzitonischen Mott-Isolator-Zustands erforschen", fügte Shi hinzu. "Wir möchten auch unser neues Verständnis nutzen, um neue Quantenzustände zu konstruieren und Quantensimulationen auf der Basis von Exzitonen oder einer Mischung aus Exziton und Elektronen durchzuführen."

Informationen zur Zeitschrift: Nature Physics

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