La formazione di uno stato di isolante di Mott eccitonico in una sovrastruttura moiré

27 novembre 2023 feature

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editor hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità del contenuto:

• fatto verificato
• pubblicazione sottoposta a revisione paritaria
• fonte affidabile
• corretta la bozza

di Ingrid Fadelli, Phys.org

Quando un elettrone carico negativamente e una lacuna carica positivamente in una coppia rimangono legati insieme dopo l'eccitazione causata dalla luce, producono stati noti come eccitoni. Questi stati possono influenzare le proprietà ottiche dei materiali, consentendo così lo sviluppo di varie tecnologie.

Un team di ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute, dell'Imperial College London, dell'University of California Riverside, della Carnegie Mellon University e di altri istituti nel mondo ha studiato la formazione degli eccitoni negli anni, cercando anche di identificare nuovi materiali promettenti per applicazioni optoelettroniche.

In un articolo pubblicato su Nature Physics, presentano evidenze di uno stato denominato isolante di Mott eccitonico in una sovrareticolo moiré basata su WSe2/WS2 (cioè un modello di interferenza periodica derivata da sovrapposizione di due strati atomici con una periodicità leggermente diversa).

"Nel nostro lavoro precedente, abbiamo dimostrato che l'interazione tra elettroni è forte in questo sovrareticolo moiré WSe2/WS2", ha detto Sufei Shi, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, a Phys.org. "Sospettiamo che l'interazione eccitone-elettrone e l'interazione eccitone-eccitone sia altrettanto forte. Possiamo potenzialmente utilizzare questa forte correlazione eccitone per realizzare nuovi stati quantistici di eccitoni, che sono bosoni e sarebbero diversi dai fermioni (elettroni)".

Shi e i suoi colleghi studiano i sovrareticoli moiré da tempo, a causa della loro struttura unica che li rende desiderabili per la manipolazione degli eccitoni. Queste strutture sono costituite da due o più cristalli sottili atomicamente sovrapposti l'uno sull'altro, ma con un angolo caratteristicamente inclinato che produce ciò che è noto come "disallineamento del reticolo".

Nella loro ricerca precedente, i ricercatori hanno dimostrato che l'interazione tra gli elettroni era particolarmente forte in un sovrareticolo moiré basato su cristalli di WSe2 e WS2. Nel loro nuovo articolo, hanno deciso di esaminare ulteriormente questa stessa struttura e studiare il suo potenziale come piattaforma per realizzare stati quantistici di eccitoni.

"Nel nostro esperimento, abbiamo utilizzato principalmente tecniche di spettroscopia ottica, in particolare spettroscopia di fotoluminescenza (PL)", ha spiegato Shi. "L'energia del fotone emesso da un eccitone interstrato in funzione del doping (elettroni o lacune aggiunte al sovrareticolo moiré) e della potenza di eccitazione (controllo del numero medio di densità di eccitone) rivela la forte repulsione elettroni-eccitone e la repulsione ecciton-eccitone".

Gli esperimenti condotti da Shi e i suoi colleghi hanno raccolto prove che uno stato isolante di Mott guidato dagli eccitoni emerge nella struttura WSe2/WS2, nello specifico quando un eccitone interstrato occupa una cella in un reticolo moiré a celle. Questo stato potrebbe avere interessanti implicazioni per lo studio e lo sviluppo dei sistemi quantistici.

"Il risultato più significativo del nostro studio è la formazione di uno stato isolante di Mott eccitonico, che è una previsione del modello di Hubbard bosonico", ha detto Shi. "Ciò dimostra che la correlazione eccitone è effettivamente forte nel sovrareticolo moiré, e possiamo utilizzarla per costruire stati quantistici derivanti dall'Hamiltoniana a molti corpi dei bosoni".

Lo studio recente di questo team di ricercatori conferma ulteriormente le scoperte precedenti, evidenziando il potenziale di questo sovrareticolo moiré WS2/WSe2 per lo studio e l'ingegneria di nuovi stati correlati. Lo stato isolante di Mott eccitonico che è emerso potrebbe essere riprodotto e studiato ulteriormente nella ricerca futura, informando anche altri lavori che utilizzano la stessa piattaforma sperimentale.

"Nei nostri prossimi studi, vogliamo esplorare la spin-valle, una nuova dimensione quantistica, di questo stato isolante di Mott eccitonico", ha aggiunto Shi. "Vogliamo anche utilizzare la nostra nuova comprensione per costruire nuovi stati quantistici e realizzare simulazioni quantistiche basate sugli eccitoni o sulla miscela eccitone-elettrone".

Informazioni sulla rivista: Nature Physics

© 2023 Science X Network