La formation d'un état isolant de Mott excitonique dans une superstructure moirée.

27 novembre 2023 fonction

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Lorsqu'un électron chargé négativement et un trou chargé positivement dans une paire restent liés ensemble après avoir été excités par la lumière, ils produisent des états appelés excitons. Ces états peuvent influencer les propriétés optiques des matériaux, permettant ainsi leur utilisation pour développer diverses technologies.

Une équipe de chercheurs de l'Institut polytechnique Rensselaer, de l'Imperial College de Londres, de l'Université de Californie Riverside, de l'Université Carnegie Mellon et d'autres instituts du monde entier étudient la formation des excitons depuis des années, tout en essayant également d'identifier de nouveaux matériaux prometteurs pour des applications optoélectroniques.

Dans un article publié dans Nature Physics, ils présentent des preuves d'un état isolant de Mott excitonique, dit ainsi, dans une superstructure en moiré à base de WSe2/WS2 (c'est-à-dire un motif d'interférence périodique résultant de la superposition de deux couches atomiques avec une périodicité légèrement différente).

« Dans nos travaux précédents, nous avons montré que l'interaction entre les électrons et la corrélation entre les électrons et les excitons est forte dans cette superstructure en moiré de WSe2/WS2 », a déclaré à Phys.org Sufei Shi, l'un des chercheurs ayant réalisé l'étude.

« Nous soupçonnons que l'interaction entre les excitons et les électrons ainsi qu'entre les excitons eux-mêmes est également forte. Nous pouvons potentiellement utiliser cette corrélation excitonique forte pour réaliser de nouveaux états quantiques des excitons, qui sont des bosons et seraient différents des fermions (électrons). »

Shi et ses collègues étudient depuis un certain temps les superstructures en moiré, en raison de leur structure unique qui les rend attrayantes pour la manipulation des excitons. Ces structures sont composées de deux cristaux minces atomiques ou plus empilés les uns sur les autres, mais à un angle caractéristiquement torsadé, produisant ce que l'on appelle un « désaccord de réseau ».

Dans leurs recherches précédentes, les chercheurs ont montré que l'interaction entre les électrons était particulièrement forte dans une superstructure en moiré basée sur les cristaux WSe2 et WS2. Dans leur nouvel article, ils ont cherché à examiner plus en détail cette même structure et à explorer son potentiel en tant que plateforme pour réaliser des états quantiques d'excitons.

« Dans notre expérience, nous avons principalement utilisé des techniques de spectroscopie optique, en particulier la spectroscopie de photoluminescence (PL) », a expliqué Shi. « L'énergie des photons émis par l'exciton d'intercouche en fonction du dopage (ajout d'électrons ou de trous à la superstructure en moiré) et de la puissance d'excitation (contrôlant le nombre moyen de densité d'excitons) révèle la forte répulsion exciton-électron et la forte répulsion exciton-exciton ».

Les expériences menées par Shi et ses collègues ont permis de constater qu'un état isolant de Mott excitonique apparaît dans la structure WSe2/WS2, spécifiquement lorsqu'un exciton d'intercouche occupe une cellule d'une cellule de la superstructure en moiré. Cet état pourrait avoir des implications intéressantes pour l'étude et le développement des systèmes quantiques.

« La réalisation la plus remarquable de notre étude est la formation d'un état isolant de Mott excitonique, qui est une prédiction du modèle de Hubbard bosonique », a déclaré Shi. « Cela montre que la corrélation des excitons est effectivement forte dans la superstructure en moiré et que nous pouvons l'utiliser pour construire des états quantiques résultant de l'hamiltonien à plusieurs corps des bosons. »

L'étude récente de cette équipe de chercheurs confirme davantage les résultats précédents, mettant en évidence le potentiel de cette superstructure en moiré WS2/WSe2 pour l'étude et l'ingénierie de nouveaux états corrélés. L'état isolant de Mott excitonique qu'elle a révélé pourrait être reproduit et examiné plus en détail dans des recherches futures, tout en informant également d'autres travaux utilisant la même plateforme expérimentale.

« Dans nos prochaines études, nous voulons explorer la « vallée-spin », un nouveau degré de liberté quantique, de cet état isolant de Mott excitonique », a ajouté Shi. « Nous voulons également utiliser notre nouvelle compréhension pour construire de nouveaux états quantiques et effectuer des simulations quantiques basées sur les excitons ou les mélanges exciton-électron. »

Informations sur la revue: Nature Physics

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