Il sistema a doppio strato è costituito dall'isolante Mott (strato superiore) e dall'isolante a fascia (il WSe2 monostrato). L'isolatore di Mott ha un foro per ogni sito del reticolo moiré e l'isolatore di banda è intrinseco. Aggiungiamo elettroni all'isolante di Mott e un numero uguale di buchi al WSe2 monostrato. I buchi nel WSe2 il monostrato eviterà le posizioni al di sotto del sito del reticolo moiré che sono occupate da buchi a causa della forte interazione di Coulomb tra gli strati. Dopo la trasformazione particella-buca rispetto all'isolante di Mott, gli elettroni drogati nell'isolante di Mott possono legare spontaneamente i buchi nell'isolante di Mott. Credito:Zhang et al.
Gli eccitoni sono quasiparticelle che si formano negli isolanti o nei semiconduttori quando un elettrone viene promosso a una banda di energia superiore, lasciando dietro di sé un buco caricato positivamente.
Alla presenza di una forte interazione di Coulomb, elettroni e lacune (vacanze lasciate dall'elettrone che è visto come una quasiparticella carica positivamente) formano coppie elettrone-lacuna strettamente legate, che sono chiamate eccitoni.
Questo processo fa sì che l'elettrone e la lacuna si leghino insieme, creando un eccitone, che è essenzialmente una concentrazione mobile di energia che si comporta in modo simile alle particelle. Gli eccitoni sono onnipresenti nei semiconduttori otticamente eccitati. Tuttavia, in rari scenari, possono formarsi spontaneamente in un piccolo semiconduttore o semimetallo a bandgap.
Negli anni '60, il fisico Nevill Mott avanzò un'interessante ipotesi teorica, suggerendo che se la struttura a bande di un materiale doveva essere sintonizzata in un modo specifico (cioè, con un livello di energia superiore al di sotto del livello di energia inferiore in certi punti), allora lo stato fondamentale del sistema conterrebbe eccitoni. Gli eccitoni in un tale sistema avrebbero una carica neutra, quindi il materiale potrebbe essere classificato come isolante.
Sebbene molti fisici si siano basati sull'interessante ipotesi di Mott, finora non era mai stata dimostrata in un contesto sperimentale. Questo è successo fino all'anno scorso, quando due diversi gruppi di ricerca dell'Università di Princeton e dell'Università di Washington hanno raccolto le prime prove sperimentali di uno stato isolante eccitonico nel ditelluride di tungsteno monostrato.
Recentemente, la ricerca di altri due gruppi di ricerca ha dimostrato la creazione di isolanti eccitonici, utilizzando i cosiddetti superreticoli moiré. I superreticoli moiré sono eterostrutture caratterizzate da strati 2D impilati uno sopra l'altro, con un angolo di torsione o una mancata corrispondenza del reticolo. Il primo di questi studi, condotto dal team dell'UC Berkeley e pubblicato su Nature Physics , ha riportato l'osservazione di uno stato di isolamento dell'eccitone interstrato correlato in un'eterostruttura composta da un WSe2 monostrato e un WS2/WSe2 doppio strato moiré.
"Gli isolanti eccitonici, proposti per la prima volta da NF Mott nel 1961, erano già stati dimostrati nel sistema a doppio strato di Hall quantistica, dove i livelli di Landau in un forte campo magnetico sono bande elettroniche piatte che sopprimono l'energia cinetica e migliorano la correlazione elettrone-lacuna,"
Zuocheng Zhang, uno dei ricercatori della UC Berkeley che ha condotto quest'altro studio, ha detto a Phys.org. "Abbiamo considerato se avremmo potuto ottenere l'isolante eccitone interstrato a campo magnetico zero."
I superreticoli moiré sono strutture ampiamente studiate che sono anche note per ospitare bande elettroniche piatte. Zhang e i suoi colleghi hanno deciso di integrare il superreticolo moiré in un sistema a doppio strato e quindi hanno cercato lo stato isolante eccitonico a un campo magnetico pari a zero.
"Abbiamo realizzato un'eterostruttura a doppio strato composta da un WS2 /WSe2 doppio strato moiré e un WSe2 monostrato", ha spiegato Zhang. "Un hBN spesso 1 nm separa questi due strati. Impiliamo il doppio strato moiré, lo strato isolante hBN e un WSe2 monostrato utilizzando la tecnologia di trasferimento di prova a base di polimeri."
L'altro gruppo che ha osservato un isolante eccitonico in un superreticolo moiré comprendeva ricercatori di diversi istituti negli Stati Uniti, in Cina e in Giappone, tra cui il Rensselaer Polytechnic Institute, l'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche della Cina, l'Università della California Riverside, l'Università del Texas a Dallas, Arizona State University e il National Institute for Materials Science in Giappone. Questa vasta collaborazione di ricerca ha utilizzato specificamente un doppio strato naturale WSe2 e un WS2 monostrato per costruire un isolante eccitonico a tre strati.
Uno schema che mostra lo stato EI, con gli elettroni e le lacune effettivi che occupano diversi strati di WSe2 . Credito:Chen et al.
"L'obiettivo del nostro studio era dimostrare un nuovo stato isolante, proposto più di 50 anni fa da Leonid Keldysh e altri", ha detto a Phys.org Sufei Shi, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Si prevede che, in un piccolo semiconduttore a bandgap o in un semimetallo, elettroni e lacune coesistenti si legheranno spontaneamente quando l'interazione di Coulomb è forte, formando uno stato fondamentale isolante, isolante eccitonico. Si ritiene che questo stato condivida alcune somiglianze con le quasiparticelle ( coppia di rame BCS) che danno luogo a superconduttività e possono portare a fenomeni macroscopici coerenti."
L'obiettivo chiave del recente lavoro di Shi e dei suoi colleghi era quello di creare un robusto sistema isolante eccitonico utilizzando materiali 2D. Questi materiali sono stati combinati per formare una nuova struttura periodica, utilizzando tecniche di ingegneria delle bande.
"Scegliamo la combinazione di un doppio strato naturale WSe2 e un monostrato WS2 per costruire un isolante eccitonico a tre strati", ha detto Shi. "Entrambi questi materiali sono stati ottenuti mediante esfoliazione meccanica (la stessa tecnica utilizzata per ottenere il grafene)."
Dopo aver ottenuto i materiali per il loro sistema, i ricercatori li hanno assemblati per formare un superreticolo moiré, controllando con precisione l'angolo di torsione tra gli strati (cioè con 0 o 60 gradi). Hanno quindi provato a progettarlo in modo che avesse sia elettroni che lacune, per abilitare lo stato isolante eccitonico.
"Nel sistema moiré, si forma una banda di energia piatta all'interfaccia tra WSe2 e WS2, che ci consente di sintonizzare la polarità dei portatori, ovvero i portatori sono simili a buchi vicino alla parte superiore della banda e simili a elettroni vicino alla parte inferiore della banda", ha affermato il prof. Yong-Tao Cui della UC Riverside, un anziano autore della seconda opera, ha detto.
"Il livello aggiuntivo di WSe2 contribuisce con una fascia bucata. Pertanto, utilizzando un campo elettrico, possiamo sintonizzare la banda moiré piatta per ospitare elettroni mentre le lacune sono nel secondo WSe2 gruppo musicale. Ciò crea la condizione di elettroni e lacune coesistenti, che interagiscono fortemente per formare lo stato isolante eccitonico. Questa ipotesi è stata confermata anche dai calcoli eseguiti dal gruppo del Prof. Chuanwei Zhang all'UT Dallas."
Il nuovo isolante eccitone interstrato correlato dimostrato da Zhang e dai suoi colleghi dell'UC Berkeley includeva i fori di un isolante a banda (nel WSe2 monostrato) ed elettroni di un isolante di Mott (nel WS2/WSe2 doppio strato moiré). Lo stato isolante dimostrato da Shi e dai suoi colleghi, invece, era basato su un WSe2 naturale doppio strato e un monostrato WS2.
"Il nostro studio evidenzia le opportunità per esplorare nuovi fenomeni quantistici nei sistemi moiré a doppio strato", ha aggiunto Zhang. "Gli eccitoni interstrati nel nostro sistema possono potenzialmente formare un condensato di eccitoni a temperature sufficientemente basse. Ora abbiamo in programma di eseguire ulteriori esperimenti volti alla dimostrazione della superfluidità degli eccitoni".
I recenti studi di questi due team di ricercatori evidenziano il potenziale dei sistemi moiré a doppio strato come piattaforme per la realizzazione di fasi quantistiche. In futuro, potrebbero aprire la strada a ulteriori ricerche utilizzando i superreticoli moiré per studiare la fisica a molti corpi correlata in 2D.
"Abbiamo costruito un robusto isolante eccitonico con una temperatura di transizione fino a 90 K", ha aggiunto Shi. "Il sistema è anche altamente sintonizzabile con un campo elettrico. Questo robusto sistema EI consente lo studio futuro dell'EI, in particolare sui nuovi stati quantistici e sui loro effetti coerenti macroscopici. Ad esempio, esploreremo la superfluidità degli eccitoni". + Esplora ulteriormente
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