Un trione intrappolato in un pozzo di potenziale moiré. Il piano rappresenta il superreticolo moiré con un motivo moiré semplificato. Tre celle moiré sono evidenziate a colori. Sopra di loro c'è il profilo energetico potenziale. La sfera con tre "palle" luminose rappresenta il trion moiré. Credito:Ella Maru Studio, Hongyi Yu e Wang Yao, Università di Hong Kong; Wangxiang Li e Joshua Lui, UC Riverside
Quando due strati atomici simili con costanti reticolari non corrispondenti (la distanza costante tra le celle unitarie di uno strato) e/o l'orientamento sono impilati insieme, il doppio strato risultante può presentare un motivo moiré e formare un superreticolo moiré.
I motivi moiré sono schemi di interferenza che si verificano in genere quando un oggetto con uno schema ripetitivo viene posizionato su un altro con uno schema simile. Superreticoli Moiré, formato da strati atomici, possono esibire fenomeni affascinanti non riscontrabili nei singoli strati, aprendo le porte a rivoluzioni tecnologiche in molti settori, compresa la trasmissione di energia elettrica, ingegneria dell'informazione, e informatica quantistica.
Illuminando la luce laser su superreticoli semiconduttori moiré formati impilando due materiali atomicamente sottili:diseleniuro di tungsteno monostrato (WSe 2 ) e diseleniuro di molibdeno monostrato (MoSe 2 )—un team guidato da ricercatori dell'Università della California, lungo il fiume, e l'Academia Sinica di Taiwan ha trovato una nuova classe di stati elettronici eccitati chiamati "trioni moiré".
"Questi trioni, che sono stati trioni confinati in pozzi potenziali moiré - cali di energia potenziale - del WSe 2 /MoSe 2 struttura, mostrano nuove caratteristiche che differiscono notevolmente da quelle dei trioni convenzionali, " disse Chun Hung (Joshua) Lui, un assistente professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia presso l'UC Riverside, che ha condotto la ricerca.
Lo studio, pubblicato il 2 giugno in Natura , apre nuove opportunità per sviluppare emettitori ottici quantistici basati su trioni e offre nuovi approcci per esplorare la fisica moiré.
Un trione è uno stato legato di due elettroni e una lacuna, o un elettrone e due lacune. Un buco è la vacanza di un elettrone. I trioni sono i principali emettitori di luce e vettori di energia nei semiconduttori atomicamente sottili con cariche extra. Applicando tensioni esterne, campi elettrici o magnetici, molte caratteristiche dei trioni, come la loro popolazione, polarizzazione di emissione, e movimento, può essere controllato. La versatile accordabilità dei trion li rende utili per gli emettitori di luce, trasporto di energia, e, potenzialmente, trasmissione di informazioni.
Nei semiconduttori omogenei, i trioni sono liberi di muoversi e disperdersi, ottenendo ampi spettri ottici. Però, in superreticoli moiré, I trioni rimangono intrappolati vicino a potenziali pozzi moiré e diventano trioni moiré. Il loro confinamento impedisce la dispersione casuale.
"Troviamo che le linee di emissione dei trioni moiré sono più di 10 volte più nitide di quelle dei trioni liberi, " Disse Lui. "Poiché i trioni moiré sono spazialmente isolati, possono emettere singoli fotoni, rendendoli una fonte ottica fattibile per la tecnologia dell'informazione quantistica".
"Il nostro lavoro punta alla possibilità di generare matrici bidimensionali di trioni nei pozzi periodici di potenziale moiré, " disse Erfu Liu, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Lui e il primo autore del documento di ricerca. "Tali matrici di trioni 2D possono mostrare coerenza spaziale, rivelare nuova fisica, e trovare applicazioni nella tecnologia laser."
La ricerca sui trioni moiré rivela anche una nuova fisica che può essere utile in ulteriori studi sui superreticoli moiré.
"I superreticoli moiré sono noti per ospitare molte 'minibande' nella loro struttura a bande di energia elettronica, "Lui ha detto. "Tali minibande sono cruciali per fenomeni affascinanti, come la superconduttività, nei superreticoli moiré. A causa della piccola distanza di energia tra queste minibande, è difficile sondare la loro struttura dettagliata. I trioni Moiré ispirano un nuovo approccio per sondare le minibande".
Liu ha spiegato che nei semiconduttori convenzionali con bande elettroniche relativamente semplici, un trione decade nello stesso stato elettronico finale e mostra solo una riga di emissione. Ma nei superreticoli moiré con più minibande elettroniche, un trione può decadere in stati in diverse minibande, Egli ha detto.
"Questo produrrà più righe di emissione, e la separazione energetica di queste linee riflette la spaziatura energetica delle minibande, " ha aggiunto. "I nostri risultati supportano questo nuovo comportamento dei trioni moiré e suggeriscono che la spettroscopia del trione moiré può essere sviluppata per sondare gli elettroni nei superreticoli moiré".
Date le nuove caratteristiche dei trioni moiré, Lui si aspetta che la ricerca sui trioni moiré attirerà molta attenzione.
"Infatti, studi correlati sui trioni moiré sono stati recentemente riportati anche da ricercatori della Heriot-Watt University nel Regno Unito, Nanyang Technological University di Singapore, e l'Università Tsinghua in Cina, " ha detto. "Credo che la ricerca sul moiré trion aumenterà e porterà a molte scoperte entusiasmanti in futuro".
Il documento di ricerca è intitolato "Signature of moiré trions in WSe 2 /MoSe 2 eterobistrati."
