Цветовая карта рассчитанного поглощения Im(χ) в зависимости от электрического поля F z .
Авторы и права: Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.107401

Двумерные материалы Ван-дер-Ваальса уже некоторое время находятся в центре внимания многочисленных исследовательских групп. Имея толщину всего в несколько атомных слоев, эти структуры производятся в лаборатории путем объединения слоев различных материалов толщиной в атом (в процессе, называемом «атомным Lego»). Взаимодействия между наложенными друг на друга слоями позволяют гетероструктурам проявлять свойства, которых нет у отдельных составляющих.

Двухслойный дисульфид молибдена является одним из таких ван-дер-ваальсовых материалов, в котором электроны можно возбудить с помощью подходящей экспериментальной установки. Затем эти отрицательно заряженные частицы покидают свое положение в валентной зоне, оставляя после себя положительно заряженную дырку, и входят в зону проводимости. Учитывая разные заряды электронов и дырок, они притягиваются друг к другу и образуют то, что известно как квазичастица. Последний также называется электронно-дырочной парой или экситоном и может свободно перемещаться внутри материала.

В двухслойном дисульфиде молибдена при возбуждении светом образуются два различных типа электронно-дырочных пар: внутрислойные пары, в которых электрон и дырка локализованы в одном слое материала, и межслоевые пары, в которых дырка и электрон расположены в различные слои и, следовательно, пространственно отделены друг от друга.

Эти два типа электронно-дырочных пар обладают разными свойствами: внутрислойные пары сильно взаимодействуют со светом — другими словами, они очень ярко светятся. С другой стороны, межслойные экситоны намного тусклее, но могут быть смещены в сторону различных энергий, что позволяет исследователям регулировать длину волны поглощения. В отличие от внутрислойных экситонов межслойные экситоны также демонстрируют очень сильное нелинейное взаимодействие друг с другом, и эти взаимодействия играют важную роль во многих их потенциальных приложениях.

Объединение свойств

Теперь исследователи из группы под руководством профессора Ричарда Уорбертона с факультета физики и Швейцарского института нанотехнологий (SNI) Базельского университета соединили эти два типа электронно-дырочных пар, доведя их до одинаковых энергий. Эта конвергенция возможна только благодаря регулируемости межслойных экситонов, и результирующая связь приводит к слиянию свойств двух типов электронно-дырочных пар. Таким образом, исследователи могут создавать слитые частицы, которые не только очень яркие, но и очень сильно взаимодействуют друг с другом.

«Это позволяет нам сочетать полезные свойства обоих типов электронно-дырочных пар», — объясняет Лукас Спонфельднер, докторант SNI Ph.D. и первый автор статьи. «Эти объединенные свойства могут быть использованы для создания нового источника отдельных фотонов, которые являются ключевым элементом квантовой связи».

Совместимость с классическими моделями

В статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи также показывают, что эту сложную систему электронно-дырочных пар можно смоделировать с помощью классических моделей из области механики или электроники.

В частности, электронно-дырочные пары можно очень эффективно описать как колеблющиеся массы или цепи. «Эти простые и общие аналогии помогают нам лучше понять фундаментальные свойства связанных частиц не только в дисульфиде молибдена , но и во многих других материальных системах и контекстах», — объясняет профессор Ричард Уорбертон.