Fasonien metsästystä

Aivan kuin grafeeneilla, Moiré-kuvio ilmestyy myös pinoamalla yksittäisiä kerroksia alle nanometrisiä siirtymämetallidikalkogenidien (TMD) puolijohdemateriaaleja.

Tällöin kerrosten väliin voi ilmaantua uusia elektronisia ja optoelektronisia ominaisuuksia ilmenee Berkeley Labin Molecular Foundryn tutkijaryhmän työssä.

Moiré-potentiaali on potentiaalienergian "merimaisema", jossa on säännöllisesti toistuvia huippuja ja laaksoja. Aiemmin niiden uskottiin olevan paikallaan. Mutta nyt aiheesta on paljastunut jotain epätavallista.

Heidän löytönsä myötävaikuttaa materiaalitieteen perustavanlaatuiseen tietämykseen. Sillä on myös lupaus kvanttiteknologioiden vakauden edistämisestä, koska moiré-potentiaalien hallinta voi auttaa vähentämään kubittien ja antureiden dekoherenssia tai eksitonien käyttöä kubitteina.

Tutkimus keskittyy 2D-materiaalien karakterisointiin ultranopeilla lasereilla ja optisella spektroskopialla alle -150°C lämpötiloissa. Kerrostettujen TMD-näytteiden virittäminen vihreällä pulssilaseilla energisoi elektroneja ja saa ne hyppäämään perustilastaan virittyneeseen. Virittyneet elektronit jättävät taakseen aukon, mikä johtaa elektroni-aukko -pariin eli eksitoniin.

Eksitonien tiedetään muodostuvan yksikerroksisissa materiaaleissa. Kuitenkin eksitonit pinotussa kaksikerroksisessa järjestelmässä eroavat toisistaan; elektronit siirtyvät volframidisulfidikerrokseen ja positiivisesti varautuneita aukkoja jää volframidiselenidikerrokseen. Materiaaliyhteisössä nämä erityiset kerroksiinsa hyppäävät eksitonit tunnetaan "kerrosten välisinä eksitoneina" tai IX:inä.

"Odotat moiré-laaksojen toimivan ansoina", tutkimusta johtanut Antonio Rossi sanoi. "Joten kun eksitoni on siellä, se on periaatteessa loukussa. Se on kuin istuisi laaksossa, ja näkee vain vuoret ympärillään eikä liiku."

Ryhmä kuitenkin huomasi, että IX:t tutkivat moiren merimaisemaa huolimatta siitä, että ne jäivät sen sisään. "Tämän moiré-potentiaalin saattaminen liikkeelle tarvitsee hyvin vähän energiaa, jolloin moiré liikkuu aivan kuin myrskyinen meri", Rossi selitti.

"Osoitimme, että jopa erittäin kylmissä lämpötiloissa energia ja informaatio eivät ole niin paikallisia kuin voisi odottaa. Tämä johtuu Moiré-kuvion erityisestä "mekaanisesta ominaisuudesta", sanoi Raja. "On olemassa erilaisia tapoja kuljettaa energiaa ja informaatiota eri lämpötiloissa. Tämä on uusi tapa tehdä se."

Tutkimusryhmä päätyi havainnoistaan ainoaan loogiseen selitykseen: itse moiré-potentiaalin täytyy liikkua.

Tutkijat ovat ehdottaneet, että matalan lämpötilan kvasihiukkanen, jota kutsutaan fasoniksi, mahdollistaa IX:n liikkumisen, vaikka se on loukussa. Kvasihiukkanen on energian kvantti kidehilassa; sillä on liikemäärä ja sijainti ja se käyttäytyy yleensä kuin hiukkanen. Fasonit ovat kvasihiukkasia, joiden uskotaan olevan luonnostaan läsnä moiré-potentiaalissa.

Rossi ja tiimi havaitsivat, että kerrosten välisten eksitonien liike moiré-potentiaalissa oli kulmasta ja lämpötilasta riippuvaista. Niiden liike on maksimissaan, kun TMD-kerrokset ovat rinnakkain (kun pinottujen kerrosten molekyylit asettuvat samaan suuntaan).

Odottamatta, kun järjestelmän lämpötila lähestyy nollaa, välikerroseksitonien liike kapenee vähitellen arvoon, joka on hieman suurempi kuin nolla, sen sijaan, että se pysähtyisi kokonaan. Ja vaikka luku on pieni, se on merkittävä.

Rossi selitti: "Oli yllätys huomata, että tämä liike tapahtuu jopa todella alhaisissa lämpötiloissa, kun kaiken oletetaan olevan jäässä."

Hänen seuraaviin vaiheisiinsa kuuluu kierretyn kaksikerroksisen grafeenin suprajohtavuuden tutkiminen, josko siellä syntyisi fason-kvasihiukkasista.

Raja on kiinnostunut tutkimaan erilaisia puolijohde- ja moiréjärjestelmiä. Hän on myös kiinnostunut mahdollisuudesta kuvata fasonit suoraan. Hän sanoi: "Todistimme sen eksitonin diffuusion kautta, mutta emme välttämättä ole vielä saaneet fasonia kiinni."

Aiheesta aiemmin:

Elektroneja ja aukkoja yhdistellen

Eksitoneja ja kvanttimateriaaleja