Excitons são quasipartículas que são formadas em isolantes ou semicondutores quando um elétron é promovido a uma banda de energia mais alta, deixando um buraco carregado positivamente para trás.
Na presença de forte interação de Coulomb, elétrons e lacunas (vagas deixadas pelo elétron que é visto como uma quasipartícula carregada positivamente) formam pares elétron-lacuna fortemente ligados, que são chamados de excitons.

Esse processo faz com que o elétron e o buraco se unam, criando um éxciton, que é essencialmente uma concentração móvel de energia que se comporta de maneira semelhante às partículas. Excitons são onipresentes em semicondutores opticamente excitados. No entanto, em cenários raros, eles podem se formar espontaneamente em um pequeno semicondutor ou semimetal bandgap.

Na década de 1960, o físico Nevill Mott apresentou uma hipótese teórica interessante, sugerindo que, se a estrutura de bandas de um material fosse ajustada de uma maneira específica (ou seja, com um nível de energia superior abaixo do nível de energia inferior em certos pontos), então o estado fundamental do sistema conteria excitons. Excitons em tal sistema seriam carregados de forma neutra, assim o material poderia ser classificado como um isolante.

Embora muitos físicos tenham construído a interessante hipótese de Mott, até agora ela nunca havia sido comprovada em um ambiente experimental. Isso foi até o ano passado, quando duas equipes de pesquisa diferentes da Universidade de Princeton e da Universidade de Washington reuniram a primeira evidência experimental de um estado isolante excitônico em ditelureto de tungstênio de monocamada.

Recentemente, pesquisas de outros dois grupos de pesquisa demonstraram a criação de isolantes excitônicos, utilizando as chamadas superredes de moiré. Superredes de moiré são heteroestruturas caracterizadas por camadas 2D empilhadas umas sobre as outras, com um ângulo de torção ou uma incompatibilidade de rede. O primeiro desses estudos, conduzido pela equipe da UC Berkeley e publicado na Nature Physics , relatou a observação de um estado isolante de éxciton interlayer correlacionado em uma heteroestrutura composta por um WSe₂ monocamada e um WS2/WSe₂ bicamada moiré.

"Isoladores excitônicos, propostos pela primeira vez por N.F. Mott em 1961, já haviam sido demonstrados no sistema quântico de dupla camada Hall, onde os níveis de Landau em um campo magnético forte são bandas eletrônicas planas que suprimem a energia cinética e aumentam a correlação elétron-buraco,"

Zuocheng Zhang, um dos pesquisadores da UC Berkeley que realizou este outro estudo, disse ao Phys.org. "Nós consideramos se poderíamos alcançar o isolador de éxciton intercalar em campo magnético zero."

Superredes de moiré são estruturas amplamente investigadas que também são conhecidas por hospedar bandas eletrônicas planas. Zhang e seus colegas decidiram integrar a super-rede moiré em um sistema de camada dupla e, em seguida, procuraram o estado isolante excitônico em um campo magnético de zero.

"Percebemos uma heteroestrutura de camada dupla composta por um WS₂ /WSe₂ bicamada moiré e um WSe₂ monocamada", explicou Zhang. "Um hBN de 1 nm de espessura separa essas duas camadas. Nós empilhamos a bicamada moiré, a camada isolante de hBN e um WSe₂ monocamada usando a tecnologia de transferência baseada em polímeros."

O outro grupo que observou um isolante excitônico em uma superrede moiré incluiu pesquisadores de diferentes institutos nos EUA, China e Japão, incluindo o Rensselaer Polytechnic Institute, a University of Electronic Science and Technology of China, a University of California Riverside, a University of Texas at Dallas, Arizona State University e o National Institute for Materials Science no Japão. Esta grande colaboração de pesquisa usou especificamente um WSe de bicamada natural₂ e uma monocamada WS2 para construir um isolante excitônico de três camadas.

“O objetivo do nosso estudo era demonstrar um novo estado isolante, proposto há mais de 50 anos por Leonid Keldysh e outros”, disse Sufei Shi, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Está previsto que, em um pequeno semicondutor ou semimetal com gap de banda, elétrons e lacunas coexistentes se ligarão espontaneamente quando a interação de Coulomb for forte, formando um estado fundamental isolante, isolante excitônico. Acredita-se que este estado compartilhe alguma semelhança com as quasipartículas ( par de cobre BCS) que dão origem à supercondutividade e podem levar a fenômenos macroscópicos coerentes."

O objetivo principal do trabalho recente de Shi e seus colegas foi criar um sistema isolante excitônico robusto usando materiais 2D. Esses materiais foram combinados para formar uma nova estrutura periódica, usando técnicas de engenharia de bandas.

"Escolhemos a combinação de uma bicamada natural WSe₂ e uma monocamada WS2 para construir um isolante excitônico de três camadas", disse Shi. "Ambos esses materiais foram obtidos por esfoliação mecânica (a mesma técnica usada para obter grafeno)."

Depois de obter os materiais para seu sistema, os pesquisadores os montaram para formar uma super-rede moiré, controlando com precisão o ângulo de torção entre as camadas (ou seja, com 0 ou 60 graus). Eles então tentaram projetá-lo para que tivesse elétrons e buracos, para permitir o estado isolante excitônico.

"No sistema moiré, uma banda de energia plana é formada na interface entre WSe₂ e WS2, que nos permite ajustar a polaridade da portadora, ou seja, as portadoras são semelhantes a buracos perto do topo da banda e semelhantes a elétrons perto da base da banda," Prof. Yong-Tao Cui da UC Riverside, um autor da segunda obra, disse.

"A camada adicional de WSe₂ contribui com uma banda de buraco. Portanto, usando um campo elétrico, podemos sintonizar a banda moiré plana para hospedar elétrons enquanto as lacunas estão no segundo WSe₂ banda. Isso cria a condição de coexistência de elétrons e buracos, que interagem fortemente para formar o estado isolante excitônico. Esta hipótese também foi confirmada pelos cálculos realizados pelo grupo do Prof. Chuanwei Zhang na UT Dallas."

O novo isolador de exciton interlayer correlacionado demonstrado por Zhang e seus colegas da UC Berkeley incluiu os orifícios de um isolador de banda (no WSe₂ monocamada) e elétrons de um isolante Mott (no WS2/WSe₂ bicamada moiré). O estado isolante demonstrado por Shi e seus colegas, por outro lado, foi baseado em um WSe natural₂ bicamada e uma monocamada WS2.

"Nosso estudo destaca as oportunidades para explorar novos fenômenos quânticos em sistemas moiré de camada dupla", acrescentou Zhang. "Os éxcitons interlayer em nosso sistema podem potencialmente formar um condensado de éxciton em temperaturas suficientemente baixas. Agora planejamos realizar mais experimentos visando a demonstração da superfluidez do éxciton."

Os estudos recentes dessas duas equipes de pesquisadores destacam o potencial dos sistemas moiré de camada dupla como plataformas para a realização de fases quânticas. No futuro, eles podem abrir caminho para mais pesquisas usando super-redes moiré para estudar a física de muitos corpos correlacionada em 2D.

"Construímos um isolante excitônico robusto com temperatura de transição de até 90 K", acrescentou Shi. "O sistema também é altamente sintonizável com um campo elétrico. Este robusto sistema de EI permite o estudo futuro de EI, especialmente sobre os novos estados quânticos e seus efeitos macroscópicos coerentes. Por exemplo, vamos explorar a superfluidez dos excitons." + Explorar mais

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