Quando un elettrone carico negativamente e una lacuna carica positivamente in una coppia rimangono legati insieme dopo l'eccitazione della luce, producono stati noti come eccitoni. Questi stati possono influenzare le proprietà ottiche dei materiali, consentendone a loro volta l'uso per lo sviluppo di varie tecnologie.
Un team di ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute, dell'Imperial College di Londra, dell'Università della California Riverside, della Carnegie Mellon University e di altri istituti in tutto il mondo studia ormai da anni la formazione degli eccitoni, cercando anche di identificare nuovi materiali promettenti per applicazioni optoelettroniche. /P>
In un articolo pubblicato su Nature Physics , presentano la prova di un cosiddetto stato eccitonico dell'isolante di Mott in un WSe2 /WS2 superreticolo moiré basato (ovvero, un modello di interferenza periodica derivante dalla sovrapposizione di due strati atomici con una periodicità leggermente diversa).
"Nel nostro lavoro precedente, abbiamo dimostrato che l'interazione tra elettroni ed elettroni è forte in questo WSe2 /WS2 superreticolo moiré," ha detto a Phys.org Sufei Shi, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio.
"Sospettiamo che anche l'interazione eccitone-elettrone ed eccitone-eccitone sia forte. Possiamo potenzialmente utilizzare questa forte correlazione eccitone per realizzare nuovi stati quantistici degli eccitoni, che sono bosoni e sarebbero diversi dai fermioni (elettroni)."
Shi e i suoi colleghi studiano i superreticoli moiré da un po’, a causa della loro struttura unica che li rende desiderabili per la manipolazione degli eccitoni. Queste strutture sono costituite da due o più cristalli atomicamente sottili impilati uno sopra l'altro, ma con un angolo tipicamente ritorto, producendo ciò che è noto come "disadattamento del reticolo".
Nella loro ricerca precedente, i ricercatori hanno dimostrato che l'interazione tra gli elettroni era particolarmente forte in un superreticolo moiré basato su WSe2 e WS2 cristalli. Nel loro nuovo articolo, hanno deciso di esaminare ulteriormente questa stessa struttura e di esplorarne il potenziale come piattaforma per realizzare stati quantistici di eccitoni.
"Nel nostro esperimento, abbiamo utilizzato principalmente tecniche di spettroscopia ottica, in particolare la spettroscopia di fotoluminescenza (PL)," ha spiegato Shi. "L'energia fotonica emessa dall'eccitone interstrato in funzione del drogaggio (elettroni o lacune aggiunti al superreticolo moiré) e della potenza di eccitazione (che controlla il numero medio di densità dell'eccitone) rivela la forte repulsione elettrone-eccitone e la repulsione eccitone-eccitone."
Gli esperimenti condotti da Shi e dai suoi colleghi hanno raccolto prove che uno stato isolante di Mott guidato dagli eccitoni emerge nel WSe2 /WS2 struttura, in particolare quando un eccitone interstrato occupa una cella in una cella del superreticolo moiré. Questo stato potrebbe avere implicazioni interessanti per lo studio e lo sviluppo dei sistemi quantistici.
"Il risultato più notevole del nostro studio è la formazione di uno stato isolante eccitonico di Mott, che è una previsione del modello bosonico di Hubbard", ha detto Shi. "Ciò dimostra che la correlazione degli eccitoni è davvero forte nel superreticolo moiré, e possiamo usarla per costruire stati quantistici derivanti dall'Hamiltoniana a molti corpi dei bosoni."
Il recente studio di questo team di ricercatori convalida ulteriormente i risultati precedenti, evidenziando il potenziale di questo WS2 /WSe2 superreticolo moiré per lo studio e l'ingegneria di nuovi stati correlati. Lo stato eccitonico dell'isolante Mott svelato potrebbe essere riprodotto e ulteriormente esaminato in ricerche future, ispirando anche altri lavori che utilizzano la stessa piattaforma sperimentale.
"Nei nostri prossimi studi, vogliamo esplorare lo spin della valle, un nuovo grado di libertà quantistico, di questo stato eccitonico isolante di Mott", ha aggiunto Shi. "Vogliamo anche utilizzare le nostre nuove conoscenze per costruire nuovi stati quantistici ed eseguire simulazioni quantistiche basate su eccitoni o miscele eccitoni-elettroni."
Ulteriori informazioni: Zhen Lian et al, isolante eccitonico di Mott polarizzato a valle nel superreticolo moiré WS2/WSe2, Nature Physics (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02266-2.
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