Cuando un electrón cargado negativamente y un hueco cargado positivamente en un par permanecen unidos después de la excitación por la luz, producen estados conocidos como excitones. Estos estados pueden influir en las propiedades ópticas de los materiales, permitiendo a su vez su uso para el desarrollo de diversas tecnologías.
Un equipo de investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer, el Imperial College de Londres, la Universidad de California Riverside, la Universidad Carnegie Mellon y otros institutos de todo el mundo han estado estudiando la formación de excitones durante años, al mismo tiempo que intentan identificar nuevos materiales prometedores para aplicaciones optoelectrónicas. /P>
En un artículo publicado en Nature Physics , presentan evidencia del llamado estado aislante excitónico de Mott en un WSe2 /WS2 superred de muaré basada (es decir, un patrón de interferencia periódica que surge de la superposición de dos capas atómicas con una periodicidad ligeramente diferente).
"En nuestro trabajo anterior, hemos demostrado que la interacción de correlación entre electrones y electrones es fuerte en este WSe2 /WS2 superred de muaré", dijo a Phys.org Sufei Shi, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio.
"Sospechamos que la interacción excitón-electrón y excitón-excitón también es fuerte. Potencialmente podemos utilizar esta fuerte correlación de excitones para realizar nuevos estados cuánticos de los excitones, que son bosones y serían diferentes de los fermiones (electrones)".
Shi y sus colegas han estado estudiando superredes muaré durante algún tiempo, debido a su estructura única que las hace deseables para manipular excitones. Estas estructuras están formadas por dos o más cristales atómicamente delgados apilados uno encima del otro, pero en un ángulo característicamente torcido, lo que produce lo que se conoce como "desajuste de red".
En su investigación anterior, los investigadores demostraron que la interacción entre electrones era particularmente fuerte en una superred muaré basada en WSe2 y WS2 cristales. En su nuevo artículo, se propusieron examinar más a fondo esta misma estructura y explorar su potencial como plataforma para realizar estados cuánticos de excitones.
"En nuestro experimento, utilizamos principalmente técnicas de espectroscopia óptica, particularmente espectroscopia de fotoluminiscencia (PL)," explicó Shi. "La energía de los fotones emitidos por el excitón entre capas en función del dopaje (electrones o huecos añadidos a la superred de muaré) y el poder de excitación (que controla el número promedio de densidad de excitón) revela la fuerte repulsión electrón-excitón y la repulsión excitón-excitón".
Los experimentos llevados a cabo por Shi y sus colegas reunieron evidencia de que en el WSe2 surge un estado aislante Mott impulsado por excitones. /WS2 estructura, específicamente cuando un excitón de capa intermedia ocupa una celda en una celda de la superred muaré. Este estado podría tener implicaciones interesantes para el estudio y desarrollo de sistemas cuánticos.
"El logro más notable de nuestro estudio es la formación de un estado aislante excitónico de Mott, que es una predicción del modelo bosónico de Hubbard", dijo Shi. "Esto muestra que la correlación de excitones es realmente fuerte en la superred muaré, y podemos usarla para construir estados cuánticos que surgen del hamiltoniano de muchos cuerpos de bosones".
El reciente estudio realizado por este equipo de investigadores valida aún más hallazgos anteriores, destacando el potencial de este WS2 /WSe2 superred muaré para estudiar e diseñar nuevos estados correlacionados. El estado del aislante excitónico de Mott que reveló podría reproducirse y examinarse más a fondo en futuras investigaciones, al mismo tiempo que sirve de base para otros trabajos que utilicen la misma plataforma experimental.
"En nuestros próximos estudios, queremos explorar el giro del valle, un nuevo grado cuántico de libertad, de este estado aislante excitónico de Mott", añadió Shi. "También queremos utilizar nuestros nuevos conocimientos para construir nuevos estados cuánticos y realizar simulaciones cuánticas basadas en excitones o mezclas de excitones y electrones".
Más información: Zhen Lian et al, aislante Mott excitónico polarizado Valley en superred muaré WS2/WSe2, Física de la naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02266-2.
Información de la revista: Física de la Naturaleza
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