Картинка, показывающая муаровые экситоны Ридберга в гетероструктуре WSe 2 /TBG.

Состояние Ридберга широко распространено в различных физических платформах, таких как атомы, молекулы и твердые тела. В частности, ридберговские экситоны представляют собой сильно возбужденные кулоновские связанные состояния электронно-дырочных пар, впервые обнаруженные в полупроводниковом материале Cu₂O в 1950-х годах.

В исследовании, опубликованном в журнале Science, доктор Сюй Ян и его коллеги из Института физики Китайской академии наук (CAS) в сотрудничестве с исследователями под руководством доктора Юань Шэнцзюня из Уханьского университета сообщили о наблюдении муаровых экситонов Ридберга в монослойном полупроводнике WSe₂, соседствующем с малоугловым скрученным двухслойным графеном (TBG).

Твердотельная природа ридберговских экситонов в сочетании с их большими дипольными моментами, сильными взаимными взаимодействиями и значительно улучшенными взаимодействиями с окружающей средой обещают широкий спектр приложений в области зондирования, квантовой оптики и квантового моделирования.

Однако исследователи не полностью использовали потенциал ридберговских экситонов. Одно из основных препятствий заключается в сложности эффективного захвата ридберговских экситонов и управления ими. Возникновение двумерных (2D) муаровых сверхрешеток с хорошо перестраиваемыми периодическими потенциалами обеспечивает возможный путь вперед.

В последние годы доктор Сюй Ян и его сотрудники работали над изучением применения ридберговских экситонов в двумерных полупроводниковых дихалькогенидах переходных металлов (таких как WSe₂). Они разработали новый метод обнаружения Ридберга, который использует чувствительность ридберговских экситонов к диэлектрической среде для обнаружения экзотических фаз в близлежащей двумерной электронной системе.

Спектроскопические данные об образовании ридберговского муарового экситона в WSe 2 вблизи 0,6° ГТЗ и численные расчеты пространственного распределения заряда в ГТЗ при различных уровнях легирования.

В этом исследовании, используя измерения низкотемпературной оптической спектроскопии, исследователи впервые обнаружили муаровые экситоны Ридберга, проявляющиеся в виде многократного расщепления энергии, ярко выраженного красного смещения и суженной ширины линии в спектрах отражения.

Используя численные расчеты, выполненные группой из Уханьского университета, исследователи объяснили эти наблюдения пространственным распределением заряда в ТБГ, которое создает периодический потенциальный ландшафт (так называемый потенциал муара) для взаимодействия с ридберговскими экситонами.

Сильное удержание ридберговских экситонов достигается за счет в значительной степени неравных межслоевых взаимодействий составляющих электронов и дырок ридберговского экситона из-за пространственно накопленных зарядов, сосредоточенных в AA-уложенных областях TBG. Таким образом, экситоны ридберговского муара реализуют разделение электронов и дырок и проявляют характер долгоживущих экситонов с переносом заряда.

Зависимости от угла закручивания и переход к режиму сильной связи.

Исследователи продемонстрировали новый метод управления ридберговскими экситонами, который трудно реализовать в объемных полупроводниках. Длинноволновая (десятки нм) муаровая сверхрешетка в данном исследовании служит аналогом оптических решеток, создаваемых пучком стоячей волны лазера или массивами оптических пинцетов, которые используются для ридберговского захвата атомов.

Кроме того, настраиваемые длины волн муара, электростатическое стробирование на месте и более длительный срок службы обеспечивают отличную управляемость системой с сильным взаимодействием света и вещества для удобного оптического возбуждения и считывания.

Это исследование может предоставить новые возможности для реализации следующего шага во взаимодействиях Ридберга-Ридберга и когерентного управления состояниями Ридберга с потенциальными приложениями в квантовой обработке информации и квантовых вычислениях.