El sistema de doble capa consiste en el aislador Mott (capa superior) y el aislador de banda (el WSe2 monocapa). El aislador Mott tiene un orificio por sitio de celosía muaré y el aislador de banda es intrínseco. Añadimos electrones al aislador de Mott e igual número de huecos al WSe2 monocapa Los agujeros en el WSe2 la monocapa evitará las posiciones debajo del sitio de la red muaré que están ocupadas por agujeros debido a la fuerte interacción de Coulomb entre capas. Después de la transformación partícula-agujero en relación con el aislador de Mott, los electrones dopados en el aislador de Mott pueden unirse espontáneamente a los agujeros en el aislador de Mott. Crédito:Zhang y otros
Los excitones son cuasipartículas que se forman en aislantes o semiconductores cuando un electrón es promovido a una banda de mayor energía, dejando atrás un hueco cargado positivamente.
En presencia de una fuerte interacción de Coulomb, los electrones y los huecos (vacantes dejados por un electrón que se ve como una cuasipartícula cargada positivamente) forman pares electrón-hueco estrechamente unidos, que se denominan excitones.
Este proceso hace que el electrón y el hueco se unan, creando un excitón, que es esencialmente una concentración móvil de energía que se comporta de manera similar a las partículas. Los excitones son omnipresentes en los semiconductores excitados ópticamente. Sin embargo, en escenarios raros, pueden formarse espontáneamente en un semiconductor o semimetal de banda prohibida pequeña.
En la década de 1960, el físico Nevill Mott planteó una hipótesis teórica interesante, sugiriendo que si la estructura de bandas de un material se ajustara de una manera específica (es decir, con un nivel de energía superior por debajo del nivel de energía inferior en ciertos puntos), entonces el estado fundamental del sistema contendría excitones. Los excitones en dicho sistema tendrían carga neutra, por lo que el material podría clasificarse como aislante.
Si bien muchos físicos se basaron en la interesante hipótesis de Mott, hasta ahora nunca se había probado en un entorno experimental. Esto fue hasta el año pasado, cuando dos equipos de investigación diferentes en la Universidad de Princeton y en la Universidad de Washington reunieron la primera evidencia experimental de un estado aislante excitónico en ditellurida de tungsteno monocapa.
Recientemente, la investigación de otros dos grupos de investigación demostró la creación de aisladores excitónicos, utilizando lo que se conoce como superredes de moiré. Las superredes de Moiré son heteroestructuras caracterizadas por capas 2D apiladas una encima de la otra, con un ángulo de torsión o un desajuste de red. El primero de estos estudios, realizado por el equipo de UC Berkeley y publicado en Nature Physics , informó la observación de un estado aislante de excitón intercapa correlacionado en una heteroestructura formada por un WSe2 monocapa y una WS2/WSe2 bicapa muaré.
"Los aisladores excitónicos, propuestos por primera vez por N.F. Mott en 1961, ya se habían demostrado en el sistema cuántico de doble capa de Hall, donde los niveles de Landau en un fuerte campo magnético son bandas electrónicas planas que suprimen la energía cinética y mejoran la correlación electrón-hueco".
Zuocheng Zhang, uno de los investigadores de UC Berkeley que llevó a cabo este otro estudio, le dijo a Phys.org. "Consideramos si podíamos lograr el aislante de excitón entre capas con un campo magnético cero".
Las superredes de Moiré son estructuras ampliamente investigadas que también se sabe que albergan bandas electrónicas planas. Zhang y sus colegas decidieron integrar la superred moiré en un sistema de doble capa y luego buscaron el estado aislante excitónico en un campo magnético de cero.
"Nos dimos cuenta de una heteroestructura de doble capa compuesta por un WS2 /WSe2 muaré bicapa y un WSe2 monocapa", explicó Zhang. "Un hBN de 1 nm de espesor separa estas dos capas. Apilamos la bicapa muaré, la capa aislante hBN y un WSe2 monocapa mediante el uso de la tecnología de transferencia de prueba basada en polímeros".
El otro grupo que observó un aislante excitónico en una superred de muaré incluía investigadores de diferentes institutos de EE. UU., China y Japón, incluido el Instituto Politécnico Rensselaer, la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, la Universidad de California Riverside, la Universidad de Texas en Dallas, la Universidad Estatal de Arizona y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón. Esta gran colaboración de investigación utilizó específicamente una bicapa natural WSe2 y una monocapa WS2 para construir un aislador excitónico de tres capas.
Un esquema que muestra el estado de EI, con los electrones y huecos efectivos ocupando diferentes capas de WSe2 . Crédito:Chen y otros
"El objetivo de nuestro estudio era demostrar un nuevo estado aislante, propuesto hace más de 50 años por Leonid Keldysh y otros", dijo a Phys.org Sufei Shi, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Se predice que, en un semiconductor de banda prohibida pequeña o un semimetal, los electrones y los huecos coexistentes se unirán espontáneamente cuando la interacción de Coulomb sea fuerte, formando un estado fundamental aislante, un aislante excitónico. Se cree que este estado comparte cierta similitud con las cuasipartículas ( par de cobre BCS) que dan lugar a la superconductividad y pueden dar lugar a fenómenos macroscópicos coherentes".
El objetivo clave del trabajo reciente de Shi y sus colegas fue crear un sistema aislante excitónico robusto utilizando materiales 2D. Estos materiales se combinaron para formar una nueva estructura periódica utilizando técnicas de ingeniería de bandas.
"Elegimos la combinación de una bicapa natural WSe2 y una monocapa WS2 para construir un aislante excitónico de tres capas", dijo Shi. "Ambos materiales se obtuvieron mediante exfoliación mecánica (la misma técnica utilizada para obtener grafeno)".
Después de obtener los materiales para su sistema, los investigadores los ensamblaron para formar una superred de muaré, controlando con precisión el ángulo de giro entre las capas (es decir, con 0 o 60 grados). Luego intentaron diseñarlo para que tuviera tanto electrones como huecos, para permitir el estado de aislante excitónico.
"En el sistema moiré, se forma una banda de energía plana en la interfaz entre WSe2 y WS2, que nos permite ajustar la polaridad de la portadora, es decir, las portadoras son como agujeros cerca de la parte superior de la banda y como electrones cerca de la parte inferior de la banda", dijo el Prof. Yong-Tao Cui de UC Riverside, un senior autor de la segunda obra, dijo.
"La capa adicional de WSe2 aporta un agujero de banda. Por lo tanto, mediante el uso de un campo eléctrico, podemos ajustar la banda muaré plana para albergar electrones mientras los huecos están en el segundo WSe2 banda. Esto crea la condición de electrones y huecos coexistentes, que interactúan fuertemente para formar el estado aislante excitónico. Esta hipótesis también fue confirmada por los cálculos realizados por el grupo del profesor Chuanwei Zhang en UT Dallas".
El nuevo aislador de excitón intercapa correlacionado demostrado por Zhang y sus colegas en UC Berkeley incluía los agujeros de un aislador de banda (en el WSe2 monocapa) y electrones de un aislador Mott (en el WS2/WSe2 bicapa muaré). El estado del aislador demostrado por Shi y sus colegas, por otro lado, se basó en un WSe2 natural. bicapa y una monocapa WS2.
"Nuestro estudio destaca las oportunidades para explorar nuevos fenómenos cuánticos en sistemas muaré de doble capa", agregó Zhang. "Los excitones de la capa intermedia en nuestro sistema pueden potencialmente formar un condensado de excitones a temperaturas suficientemente bajas. Ahora planeamos realizar más experimentos con el objetivo de demostrar la superfluidez de los excitones".
Los estudios recientes de estos dos equipos de investigadores destacan el potencial de los sistemas muaré de doble capa como plataformas para realizar fases cuánticas. En el futuro, podrían allanar el camino para más investigaciones utilizando superredes de muaré para estudiar la física de muchos cuerpos correlacionada en 2D.
"Hemos construido un aislador excitónico robusto con una temperatura de transición de hasta 90 K", agregó Shi. "El sistema también es altamente sintonizable con un campo eléctrico. Este robusto sistema EI permite el estudio futuro de la IE, especialmente en los nuevos estados cuánticos y sus efectos macroscópicos coherentes. Por ejemplo, exploraremos la superfluidez de los excitones".
© 2022 Red Ciencia X Los investigadores observan triones muaré en bicapas de dicalcogenuro de metal de transición apiladas en H
