Свидетельства существования экситонных изоляторов в муаровых сверхрешетках
Две исследовательские группы продемонстрировали создание экситонных изоляторов с использованием так называемых муаровых сверхрешеток. Муаровые сверхрешетки представляют собой гетероструктуры, характеризующиеся двумерными слоями, наложенными друг на друга, с углом закручивания или несоответствием решеток. В первом из этих исследований, проведенном группой из Калифорнийского университета в Беркли и опубликованном в журнале Nature Physics, сообщалось о наблюдении коррелированного межслойного изолирующего состояния экситона в гетероструктуре.
Двухслойная система состоит из изолятора Мотта (верхний слой) и зонного изолятора (монослой WSe 2 ). Изолятор Мотта имеет одну дырку на узел муаровой решетки, а зонный изолятор является собственным. Мы добавляем электроны в изолятор Мотта и такое же количество дырок в монослой WSe 2 . Дырки в монослое WSe 2 будут избегать позиций ниже узла муаровой решетки, занятых дырками, благодаря сильному межслоевому кулоновскому взаимодействию. После преобразования частица-дырка относительно изолятора Мотта электроны, легированные в изоляторе Мотта, могут спонтанно связывать дырки в изоляторе Мотта. Кредит: Чжан и др.
Экситоны — это квазичастицы, которые образуются в изоляторах или полупроводниках, когда электрон перемещается в более высокую энергетическую зону, оставляя после себя положительно заряженную дырку.
При наличии сильного кулоновского взаимодействия электроны и дырки (вакансии, оставленные электроном, рассматриваемым как положительно заряженная квазичастица) образуют тесно связанные электронно-дырочные пары, называемые экситонами.
Этот процесс заставляет электрон и дырку связываться вместе, создавая экситон, который представляет собой подвижную концентрацию энергии, что ведет себя подобно частицам. Экситоны широко распространены в оптически возбужденных полупроводниках. Однако в редких случаях они могут спонтанно образовываться в полупроводнике или полуметалле с малой шириной запрещенной зоны.
В 1960-х годах физик Невилл Мотт выдвинул интересную теоретическую гипотезу, предполагая, что если зонная структура материала должна быть настроена определенным образом (т.е. с верхним энергетическим уровнем ниже нижнего энергетического уровня в определенных точках), то основное состояние системы будет содержать экситоны. Экситоны в такой системе были бы заряжены нейтрально, поэтому материал можно было бы классифицировать как изолятор .
Хотя многие физики основывались на интересной гипотезе Мотта, до сих пор она не была доказана в экспериментальных условиях. Так было до прошлого года, когда две разные исследовательские группы из Принстонского и Вашингтонского университетов собрали первые экспериментальные доказательства существования экситонного изолирующего состояния в однослойном дителлуриде вольфрама.
Недавно исследования еще двух исследовательских групп продемонстрировали создание экситонных изоляторов с использованием так называемых муаровых сверхрешеток. Муаровые сверхрешетки представляют собой гетероструктуры, характеризующиеся двумерными слоями, наложенными друг на друга, с углом закручивания или несоответствием решеток. В первом из этих исследований, проведенном группой из Калифорнийского университета в Беркли и опубликованном в журнале Nature Physics, сообщалось о наблюдении коррелированного межслойного изолирующего состояния экситона в гетероструктуре, состоящей из монослоя WSe 2 и муарового бислоя WS2/WSe 2 .
«Экситонные изоляторы, впервые предложенные Н. Ф. Моттом в 1961 году, уже были продемонстрированы в квантовой двухслойной холловской системе, где уровни Ландау в сильном магнитном поле представляют собой плоские электронные зоны, подавляющие кинетическую энергию и усиливающие электронно-дырочную корреляцию».
Zuocheng Zhang, один из исследователей Калифорнийского университета в Беркли, проводивший другое исследование, рассказал Phys.org. «Мы рассмотрели, сможем ли мы создать межслойный экситонный изолятор при нулевом магнитном поле».
Муаровые сверхрешетки — это широко изученные структуры, которые, как также известно, содержат плоские электронные зоны. Чжан и его коллеги решили интегрировать муаровую сверхрешетку в двухслойную систему, а затем искали экситонное изолирующее состояние при нулевом магнитном поле.
«Мы реализовали двухслойную гетероструктуру, состоящую из двухслойного муара WS 2 /WSe 2 и монослоя WSe 2 », — пояснил Чжан. «Эти два слоя разделены hBN толщиной 1 нм. Мы накладываем друг на друга муаровый бислой, изолирующий слой hBN и монослой WSe 2 , используя технологию переноса проб на основе полимера».
В другую группу, наблюдавшую экситонный изолятор в муаровой сверхрешетке, вошли исследователи из различных институтов США, Китая и Японии, в том числе Политехнического института Ренсселера, Университета электронных наук и технологий Китая, Калифорнийского университета в Риверсайде, Техасского университета в Даллас, Университет штата Аризона и Национальный институт материаловедения в Японии. Это крупное исследовательское сотрудничество специально использовало естественный двухслойный WSe 2 и один монослойный WS2 для создания трехслойного экситонного изолятора.
Схема, показывающая состояние EI с эффективными электронами и дырками, занимающими разные слои WSe 2 . Кредит: Чен и др.
«Целью нашего исследования была демонстрация нового изолирующего состояния, предложенного более 50 лет назад Леонидом Келдышем и другими», — сказал Phys.org Суфей Ши, один из исследователей, проводивших исследование. «Предсказано, что в полупроводнике с малой шириной запрещенной зоны или полуметалле сосуществующие электроны и дырки будут спонтанно связываться, когда кулоновское взаимодействие сильное, образуя изолирующее основное состояние, экситонный изолятор. Считается, что это состояние имеет некоторое сходство с квазичастицами (медная пара БКШ), которые вызывают сверхпроводимость и могут приводить к макроскопическим когерентным явлениям».
Ключевой целью недавней работы Ши и его коллег было создание надежной системы экситонных изоляторов с использованием двумерных материалов. Эти материалы были объединены, чтобы сформировать новую периодическую структуру с использованием методов проектирования полос.
«Мы выбрали комбинацию природного двухслойного WSe 2 и одного монослоя WS2 для создания трехслойного экситонного изолятора», — сказал Ши. «Оба этих материала были получены путем механического расслоения (та же техника, которая использовалась для получения графена)».
Получив материалы для своей системы, исследователи собрали их, чтобы сформировать муаровую сверхрешетку, точно контролируя угол закручивания между слоями (т. е. от 0 до 60 градусов). Затем они попытались сконструировать его так, чтобы в нем были как электроны, так и дырки, чтобы обеспечить состояние экситонного изолятора.
«В муаровой системе на границе раздела WSe 2 и WS2 формируется плоская энергетическая полоса, что позволяет настраивать полярность носителей, т. е. вблизи вершины полосы носители имеют дырочный характер, а вблизи вершины — электроноподобный в нижней части диапазона», — сказал профессор Йонг-Тао Цуй из Калифорнийского университета в Риверсайде, старший автор второй работы.
«Дополнительный слой WSe 2 вносит вклад в полосу дырок. Поэтому, используя электрическое поле, мы можем настроить плоскую полосу муара на электроны хозяина, в то время как дырки находятся во второй полосе WSe 2. Это создает условия сосуществования электронов и дырок. , которые сильно взаимодействуют, образуя состояние экситонного изолятора. Эта гипотеза также была подтверждена расчетами, проведенными группой профессора Чуанвэй Чжана из UT Далласа».
Новый коррелированный межслойный экситонный изолятор, продемонстрированный Чжаном и его коллегами из Калифорнийского университета в Беркли, включал дырки зонного изолятора (в монослое WSe 2 ) и электроны моттовского изолятора (в муаровом бислое WS2/WSe 2 ). С другой стороны, состояние изолятора, продемонстрированное Ши и его коллегами, было основано на естественном бислое WSe2 и монослое WS2 .
«Наше исследование подчеркивает возможности изучения новых квантовых явлений в двухслойных муаровых системах», — добавил Чжан. «Межслойные экситоны в нашей системе потенциально могут образовывать экситонный конденсат при достаточно низких температурах. Теперь мы планируем провести дальнейшие эксперименты, направленные на демонстрацию сверхтекучести экситонов».
Недавние исследования этих двух групп исследователей подчеркивают потенциал двухслойных муаровых систем как платформ для реализации квантовых фаз. В будущем они могут проложить путь к дальнейшим исследованиям с использованием муаровых сверхрешеток для изучения двумерной коррелированной физики многих тел.
«Мы создали прочный экситонный изолятор с температурой перехода до 90 К», — добавил Ши. «Система также хорошо настраивается с помощью электрического поля. Эта надежная система ЭУ позволяет в будущем изучать ЭУ, особенно новые квантовые состояния и их макроскопические когерентные эффекты. Например, мы будем исследовать сверхтекучесть экситонов».
