A formação de um estado isolante excitônico de Mott em uma superrede moiré
Crédito:Lian et al. Quando um elétron com carga negativa e um buraco com carga positiva em um par permanecem unidos após a excitação pela luz, eles produzem estados conhecidos como excitons. Esses estados podem influenciar as propriedades ópticas dos materiais, possibilitando sua utilização no desenvolvimento de diversas tecnologias.
Uma equipe de pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute, do Imperial College London, da University of California Riverside, da Carnegie Mellon University e de outros institutos em todo o mundo estuda a formação de excitons há anos, ao mesmo tempo que tenta identificar novos materiais promissores para aplicações optoeletrônicas.
Em um artigo publicado na Nature Physics , eles apresentam evidências do chamado estado isolante excitônico de Mott em um WSe2 /WS2 superrede moiré baseada (ou seja, um padrão de interferência periódico resultante da sobreposição de duas camadas atômicas com uma periodicidade ligeiramente diferente).
"Em nosso trabalho anterior, mostramos que a interação de elétrons e de correlação de elétrons é forte neste WSe2 /WS2 superrede moiré", disse Sufei Shi, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org.
"Suspeitamos que a interação exciton-elétron e exciton-exciton também seja forte. Podemos potencialmente utilizar essa forte correlação exciton para realizar novos estados quânticos de excitons, que são bósons e seriam diferentes dos férmions (elétrons)."
Shi e seus colegas estudam superredes moiré há algum tempo, devido à sua estrutura única que as torna desejáveis para a manipulação de excitons. Essas estruturas são compostas de dois ou mais cristais atomicamente finos empilhados uns sobre os outros, mas em um ângulo caracteristicamente torcido, produzindo o que é conhecido como "incompatibilidade de rede".
Em suas pesquisas anteriores, os pesquisadores mostraram que a interação entre os elétrons era particularmente forte em uma superrede moiré baseada em WSe2 e WS2 cristais. Em seu novo artigo, eles se propuseram a examinar mais detalhadamente essa mesma estrutura e explorar seu potencial como plataforma para realizar estados quânticos de excitons.
“Em nosso experimento, usamos principalmente técnicas de espectroscopia óptica, particularmente espectroscopia de fotoluminescência (PL),”, explicou Shi. "A energia do fóton emitido do exciton intercamada em função da dopagem (elétrons ou buracos adicionados à superrede moiré) e da potência de excitação (controlando o número médio de densidade do exciton) revela a forte repulsão elétron-exciton e repulsão exciton-exciton."
Os experimentos realizados por Shi e seus colegas reuniram evidências de que um estado isolante de Mott acionado por excitons emerge no WSe2 /WS2 estrutura, especificamente quando um exciton intercamada ocupa uma célula em uma célula da superrede moiré. Este estado pode ter implicações interessantes para o estudo e desenvolvimento de sistemas quânticos.
"A conquista mais notável do nosso estudo é a formação de um estado isolante excitônico de Mott, que é uma previsão do modelo bosônico de Hubbard", disse Shi. "Isso mostra que a correlação de excitons é realmente forte na superrede moiré, e podemos usar isso para construir estados quânticos decorrentes do hamiltoniano de muitos corpos de bósons."
O estudo recente desta equipe de pesquisadores valida ainda mais descobertas anteriores, destacando o potencial deste WS2 /WSe2 superrede moiré para estudar e projetar novos estados correlacionados. O isolador excitônico Mott revelado poderia ser reproduzido e examinado em pesquisas futuras, ao mesmo tempo que informa outros trabalhos utilizando a mesma plataforma experimental.
"Em nossos próximos estudos, queremos explorar o spin do vale, um novo grau quântico de liberdade, deste estado isolante excitônico de Mott", acrescentou Shi. "Também queremos usar nosso novo entendimento para construir um novo estado quântico e realizar simulações quânticas baseadas em excitons ou misturas exciton-elétron."
Mais informações: Zhen Lian et al, Isolador Mott excitônico polarizado em vale na superrede moiré WS2/WSe2, Nature Physics (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02266-2. Informações do diário: Física da Natureza
