Eksitoneja ja kvanttimateriaaleja

Kaksi atomikerrosta, jotka on kierretty muodostamaan varjossa esitetty moiré-kuvio, joka vangitsee valoa säteilevät hiukkaset

Van der Waalsin heterostruktuurit tarjoavat houkuttelevia mahdollisuuksia suunnitella kvanttimateriaaleja. Esimerkiksi siirtymämetallidikalkogenideillä (TMD) on kolme kvanttivapausastetta: spin, laaksoindeksi ja kerrosindeksi.

Lisäksi kierretyt TMD-heterobikerrokset voivat muodostaa moiré-kuvioita, jotka moduloivat elektronista kaistarakennetta atomirekisterin mukaan, johtaen kerrosten välisten eksitonien (IX) alueelliseen rajoittamiseen.

Heriot-Watt Universityn tutkimuksessa on tunnistettu miten kerrosten väliset eksitonit (IX:t) voidaan vangita ja tunnistettu niiden kvanttisormenjäljet.

IX:t ovat loukussa kahden erilaisen TMD:stä valmistetun atomilevyn vuorovaikutuksessa kun ne yhteen pinottuna pienen kierteen kanssa muodostavat moiré-kuvion. Professori Brian Gerardotin johtamassa QPL-laboratoriossa moiré-kuviot vaikuttavat atomien heterostruktuurien keskeisiin ominaisuuksiin luoden uuden kvanttimateriaalin.

”Atomisiin moirekuvioihin loukkuun jäävät välikerrosten eksitonit omaavat suuren lupauksen ... ja niiden perusominaisuuksien tutkiminen on ratkaisevan tärkeää tulevaisuuden kehitykselle” Professori Brian Gerardot

Erityisiä piirteitä johdetaan TMD-kerrosten 2D-luonteesta, mukaan lukien spin-valley-kerroslukitus, joka avaa potentiaaliset yhteydet spintronisen ja valleytronicsin suurempiin kenttiin, jotka ovat mielenkiintoisia seuraavan sukupolven optoelektroniikan laitteille.

Rice yliopiston tutkijat ovat puolestaan löytäneet "paradoksin" perustilan kaksikerroksisissa eli eksitonien muodostumista tietyissä 2D-yhdisteissä.

2D-materiaalien laskentamallien sekoittaminen ja sovittaminen sai tutkijat ymmärtämään, että eksitoneja voidaan manipuloida uusilla ja hyödyllisillä tavoilla.

Tutkijat tunnistivat pienen joukon 2D-yhdisteitä, joilla oli samanlaiset atomihilan mitat, jotka yhteen sijoitettuna mahdollistaisivat eksitonien muodostumisen spontaanisti. Yleensä eksitoneja syntyy kun valosta tai sähköstä tuleva energia nostaa elektroneja ja aukkoja korkeampaan tilaan.

Muutamissa yhdistelmistä, joita Ricen materiaaliteoreetikko Boris Yakobson ja hänen tiiminsä ennustivat, eksitoneja havaittiin vakaan materiaali n perustilassa. Päättelynsä mukaan nämä eksitonit voivat alhaisimmassa energiatilassa tiivistyä superfluidiseen vaiheeseen. Löytö osoittaa lupauksen sähköisille, spintronisille ja kvanttilaskennallisille sovelluksille.

"Lukuun ottamatta samanlaisia hilaparametreja kussakin parissa, kemialliset koostumukset vaikuttavat vähemmän intuitiivisilta", Yakobson sanoi. ”Emme nähneet mitään keinoa ennakoida haluttua käyttäytymistä ilman huolellista kvantitatiivista analyysiä.

Aiheista aiemmin:

Kiertymä muokkaa kaistaeroa

Eksitonit elektroniikan käyttöön