Patrones de muaré en la heterobicapa MoS2 / WS2. La celda unitaria de la superrejilla de muaré formada por una heteroestructura retorcida de MoS2 / WS2 con un ángulo θ =3.48 ° (A) y θ =56.52 ° (B). Las configuraciones de apilamiento de los tres motivos locales, A, B, y C, se muestran a la derecha. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc5638
Las superredes de Moiré que se encuentran dentro de las heteroestructuras de van der Waals (vdW) pueden atrapar excitones intercalares de larga duración para formar matrices de puntos cuánticos ordenados, allanando el camino para aplicaciones de información optoelectrónica y cuántica sin precedentes. Los excitones son una cuasipartícula eléctricamente neutra que puede transportar energía sin transportar carga eléctrica neta. Se forman cuando un material absorbe un fotón de mayor energía que su banda prohibida y el concepto se puede representar como el estado ligado de un electrón y un agujero de electrones que se atraen entre sí por una fuerza de Coulomb electrostática. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Hongli Guo y un equipo de científicos del departamento de física y astronomía de la Universidad Estatal de California, Northridge, NOSOTROS., realizó simulaciones de los primeros principios para arrojar luz sobre los excitones muaré en disulfuro de molibdeno retorcido / disulfuro de tungsteno (MoS 2 / WS 2 ) heteroestructuras. El equipo mostró evidencia directa de excitones muaré entre capas localizados en heteroestructuras vdW y trazó un mapa de los potenciales muaré entre capas e intracapa en función de las brechas de energía. Observaron bandas de valencia casi planas en las heteroestructuras mientras exploraban cómo se podría sintonizar el campo vertical para controlar la posición. polaridad, energía de emisión y fuerza de hibridación de los excitones muaré. Luego, los científicos predijeron que los campos eléctricos alternos podrían controlar los momentos dipolares de los excitones muaré hibridados, mientras se suprime su difusión en celosías de muaré.
Ingeniería de una heteroestructura de van der Waal
En este trabajo, Guo y col. utilizó un método computacional recientemente desarrollado para proporcionar evidencia directa de excitones muaré entre capas localizados en heteroestructuras vdW y propuso la formación de excitones muaré híbridos bajo campos eléctricos alternos, para suprimir la difusión de excitones dentro de las celosías de muaré. El método más atractivo para diseñar una heteroestructura de vdW es introducir un desajuste de celosía o una desalineación de rotación entre las capas bidimensionales (2-D) para formar una superrejilla de muaré con nueva longitud y nuevas escalas de energía para fascinantes fenómenos cuánticos. Las heteroestructuras de Van der Waal (vdW) formadas de esta manera con pilas verticales de cristales 2-D proporcionan una plataforma sin precedentes para desarrollar materiales cuánticos con propiedades físicas exóticas como la superconductividad no convencional, efecto Hall cuántico fractal y condensación de Bose-Einstein.
Después de las predicciones teóricas iniciales, Los investigadores habían informado de una serie de observaciones experimentales de excitones muaré en heteroestructuras vdW de dicalcogenuros de metales de transición (TMD). Los TMD 2-D mostraron efectos excitónicos prominentes debido al confinamiento cuántico y el cribado dieléctrico reducido. Aunque el trabajo de investigación condujo a un aumento de la investigación experimental y teórica sobre los excitones muaré en heteroestructuras vdW, Las perspectivas de los primeros principios sobre el tema siguen siendo escasas debido a los desafíos computacionales. Los estudios sobre los primeros principios siguen siendo importantes, ya que pueden proporcionar una visión crítica sobre el nivel atomístico de detalle más allá del alcance experimental y las teorías fenomenológicas. sin dejar de ser una herramienta indispensable para explorar la gran y creciente familia de heteroestructuras vdW.
Bandas planas en heteroestructuras retorcidas MoS2 / WS2. (A) La estructura de banda de una sola partícula para la heteroestructura MoS2 / WS2 con θ =56.52 °. Las bandas CBM y VBM se muestran en rojo y azul, respectivamente. (B) Vistas superior y lateral de la densidad de carga de las bandas CBM y VBM para la heteroestructura. La celda unitaria de la celosía de muaré se indica mediante el cuadro punteado. (C) Estructura de banda para la heteroestructura MoS2 / WS2 con θ =3.48 °. (D) Vistas superior y lateral de la densidad de carga de las bandas CBM y VBM para la heteroestructura. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc5638 
Las celdas unitarias de dos superredes muaré se pueden formar torciendo un disulfuro de molibdeno / disulfuro de tungsteno (MoS 2 / WS 2 ) bicapa (grupo de materiales dicalcogenuros de metales de transición), donde las celdas unitarias mantienen una constante de red similar y un número de átomos. Hay tres motivos locales en ambas superredes (etiquetadas A, B y C) que conservan la simetría rotacional triple y juegan un papel crucial para determinar las propiedades de las celosías muaré. Las estructuras atómicas de estos motivos son, sin embargo, diferente para las dos superredes. El equipo trazó un mapa de la amplitud máxima de los potenciales de muaré, la propiedad más importante de las superredes de muaré, y calculó la banda prohibida de energía del MoS. 2 / WS 2 bicapa. Utilizaron la modulación de banda prohibida para comprender los potenciales de muaré y notaron que la amplitud de los potenciales de muaré entre capas era mucho mayor que los potenciales de muaré intracapa, donde los excitones muaré entre capas estaban más localizados que los excitones muaré intracapa.
Excitones muaré localizados en la heteroestructura retorcida MoS2 / WS2 (θ =3,48 °). (A) Densidad de carga y energía para el excitón de menor energía en la heteroestructura MoS2 / WS2 con θ =0 ° (panel superior, vista superior; panel inferior, vista lateral). (B a D) Densidad de carga y energía para los tres excitones muaré de menor energía en la heteroestructura retorcida MoS2 / WS2 con θ =3.48 ° (panel superior, vista superior; panel inferior, vista lateral). El cuadro punteado indica la celda unitaria de la superrejilla de muaré. Los colores rojo y azul representan la densidad de carga del electrón y el agujero, respectivamente. Todos los valores de iso-superficie se establecen en 0,0001 e / A3. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc5638
Un enfoque de primeros principios
Convencionalmente Los físicos utilizan el método de la ecuación de Bethe-Salpeter (EEB) basado en la teoría de la perturbación de muchos cuerpos. Sin embargo, el método es caro para los excitones muaré debido a la gran cantidad de átomos en la celda unitaria. Para superar el problema Guo y col. desarrolló un método alternativo de primeros principios para proporcionar una descripción confiable de los efectos excitónicos sin costos computacionales excesivos. Basaron el método en la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo (TDDFT) y examinaron los excitones muaré en el MoS retorcido 2 / WS 2 heteroestructuras con diferentes ángulos. A medida que aumentaba el ángulo de giro, el potencial muaré se hizo menos profundo y los excitones se volvieron menos localizados para proporcionar la primera evidencia directa de excitones muaré localizados en heteroestructuras de vdW a partir de los primeros principios. Posteriormente, el equipo determinó la energía de enlace del excitón en una variedad de MoS 2 / WS 2 heteroestructuras.
Estructura electrónica sintonizable de campo eléctrico en la heteroestructura MoS2 / WS2. (A) Arriba:Imagen esquemática de la heteroestructura de MoS2 / WS2 bajo un campo eléctrico perpendicular ε. El momento dipolar del excitón de la capa intermedia está indicado por P. Abajo:Sintonización eléctrica de la alineación de la banda de tipo II de la heteroestructura. Las flechas roja y azul indican las direcciones de cambio del nivel de energía. (B) La variación de la distancia entre capas h en A, B, y puntos C para la heteroestructura MoS2 / WS2 con θ =3.48 °. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc5638
Ajuste eléctrico de posiciones de excitón muaré
Luego, los científicos representaron esquemáticamente una configuración experimental que permitía el control eléctrico de las propiedades excitónicas. Mientras que un campo eléctrico positivo que apunta desde el disulfuro de tungsteno (WS 2 ) al disulfuro de molibdeno (MoS 2 ) capa podría aumentar la energía de MoS 2 mientras se reduce la energía de WS 2 , los efectos fueron viceversa para un campo eléctrico negativo. Al aplicar un campo positivo, el electrón y el agujero de los excitones muaré también cambiaron capas para formar un muaré entre capas con la polaridad opuesta. Es más, un campo negativo podría reducir la brecha de energía de la heteroestructura y la energía de los excitones entre capas. De este modo, Guo y col. utilizó el campo eléctrico para sintonizar y programar la ubicación, polaridad, y energía de emisión de excitones muaré para controlar los portadores de información cuántica bajo demanda. Aunque los excitones muaré están localizados, pueden hacer un túnel a través de los potenciales muaré y difundirse a través de largas distancias, por lo tanto, la capacidad para controlar la difusión de excitones aumentada o suprimida también es de interés en la actualidad.
Ajuste de la difusión del excitón muaré por campo eléctrico. (A) Diagrama esquemático que muestra las direcciones dipolares de un excitón muaré difuso desde el punto B al punto C en una superrejilla muaré. (B) Imagen esquemática que representa la fluctuación del momento dipolar de un excitón muaré difuso bajo un campo eléctrico alterno. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abc5638
De este modo, la gran familia de materiales bidimensionales presentó una oportunidad de ingeniería sin precedentes en materiales cuánticos, específicamente en relación con heteroestructuras de dicalcogenuro de metal de transición (TMD) 2-D con aplicaciones potenciales como emisores cuánticos o láseres de alto rendimiento y twistronics. Comprensión, predecir y controlar los excitones muaré en heteroestructuras vdW es de gran importancia científica, aunque muy desafiante. Hongli Guo y sus colegas utilizaron simulaciones de los primeros principios para abordar los desafíos y ofrecer información crítica a escala atómica y electrónica que hasta ahora no se conocía. Determinaron la distribución de las densidades de carga de excitones en disulfuro de molibdeno retorcido / disulfuro de tungsteno (MoS 2 / WS 2 ) heteroestructuras mediante el uso de cálculos de primeros principios para proporcionar evidencia directa de excitones muaré localizados en heteroestructuras TMD. El equipo también mostró cómo se puede ajustar el campo vertical para controlar la posición, polaridad, energía de emisión y fuerza de hibridación de los excitones muaré. El equipo predice que los campos eléctricos alternos podrían suprimir la difusión de excitones muaré en materiales 2-D.
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