Les super-réseaux moirés situés dans les hétérostructures de van der Waals (vdW) peuvent piéger des excitons intercouches à longue durée de vie pour former des réseaux de points quantiques ordonnés, ouvrant la voie à des applications d'information optoélectronique et quantique sans précédent. Les excitons sont une quasiparticule électriquement neutre qui peut transporter de l'énergie sans transporter de charge électrique nette. Ils se forment lorsqu'un matériau absorbe un photon d'énergie supérieure à sa bande interdite et le concept peut être représenté comme l'état lié d'un électron et d'un trou d'électron qui sont attirés l'un vers l'autre par une force de Coulomb électrostatique. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Hongli Guo et une équipe de scientifiques du département de physique et d'astronomie de la California State University, Northridge, NOUS., a effectué des simulations de premiers principes pour faire la lumière sur les excitons moirés dans le bisulfure de molybdène/disulfure de tungstène torsadé (MoS 2 /WS 2 ) hétérostructures. L'équipe a montré des preuves directes d'excitons de moiré intercouche localisés dans les hétérostructures vdW et a cartographié les potentiels de moiré intercouche et intracouche en fonction des écarts énergétiques. Ils ont noté des bandes de valence presque plates dans les hétérostructures tout en explorant comment le champ vertical pourrait être réglé pour contrôler la position, polarité, énergie d'émission et force d'hybridation des excitons moirés. Les scientifiques ont alors prédit que les champs électriques alternatifs pourraient contrôler les moments dipolaires des excitons moirés hybrides, tout en supprimant leur diffusion dans les réseaux moirés.

Ingénierie d'une hétérostructure van der Waal

Dans ce travail, Guo et al. a utilisé une nouvelle méthode de calcul pour fournir des preuves directes d'excitons de moiré intercouches localisés dans les hétérostructures vdW et a proposé la formation d'excitons de moiré hybrides sous champs électriques alternatifs, pour supprimer la diffusion des excitons dans les réseaux moirés. La méthode la plus attrayante pour concevoir une hétérostructure vdW consiste à introduire un décalage de réseau ou un désalignement de rotation entre les couches bidimensionnelles (2-D) pour former un super-réseau moiré avec une nouvelle longueur et de nouvelles échelles d'énergie pour des phénomènes quantiques fascinants. Les hétérostructures de Van der Waal (vdW) formées de cette manière avec des empilements verticaux de cristaux 2D fournissent une plate-forme sans précédent pour développer des matériaux quantiques dotés de propriétés physiques exotiques telles que la supraconductivité non conventionnelle, effet Hall quantique fractal et condensation de Bose-Einstein.

Après les premières prédictions théoriques, les chercheurs avaient rapporté un certain nombre d'observations expérimentales d'excitons moirés dans des hétérostructures vdW de dichalcogénures de métaux de transition (TMD). Les TMD 2-D ont montré des effets excitoniques importants dus au confinement quantique et à un écran diélectrique réduit. Bien que les travaux de recherche aient conduit à une vague de recherches expérimentales et théoriques sur les excitons moirés dans les hétérostructures vdW, les perspectives des premiers principes sur le sujet restent rares en raison des défis informatiques. Les études sur les premiers principes restent importantes car elles peuvent fournir un aperçu critique sur le niveau de détail atomistique au-delà de la portée expérimentale et des théories phénoménologiques, tout en restant un outil indispensable pour explorer la grande et toujours croissante famille des hétérostructures vdW.

Les cellules unitaires de deux super-réseaux moirés peuvent être formées en tordant un disulfure de molybdène/disulfure de tungstène (MoS 2 /WS 2 ) bicouche (groupe de matériaux dichalcogénures de métaux de transition), où les cellules unitaires maintiennent une constante de réseau et un nombre d'atomes similaires. Il y a trois motifs locaux dans les deux super-réseaux (étiquetés A, B et C) qui préservent la triple symétrie de rotation et jouent un rôle crucial pour déterminer les propriétés des réseaux moirés. Les structures atomiques de ces motifs sont, cependant, différent pour les deux super-réseaux. L'équipe a cartographié l'amplitude maximale des potentiels de moiré - la propriété la plus importante des super-réseaux de moiré et a calculé la bande interdite énergétique du MoS 2 /WS 2 bicouche. Ils ont utilisé la modulation de bande interdite pour comprendre les potentiels de moiré et ont noté que l'amplitude des potentiels de moiré intercouche était bien supérieure aux potentiels de moiré intracouche, où les excitons moirés intercouches étaient plus localisés que les excitons moirés intracouches.

Une approche des premiers principes

Classiquement, les physiciens utilisent la méthode de l'équation de Bethe-Salpeter (ESB) basée sur la théorie des perturbations à N corps. Cependant, la méthode est coûteuse pour les excitons moirés en raison du grand nombre d'atomes dans la maille élémentaire. Pour surmonter le problème, Guo et al. ont développé une méthode alternative des premiers principes pour fournir une description fiable des effets excitoniques sans coûts de calcul excessifs. Ils ont basé la méthode sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) et ont examiné les excitons moirés dans le MoS torsadé. 2 /WS 2 hétérostructures avec des angles différents. Au fur et à mesure que l'angle de torsion augmente, le potentiel de moiré est devenu moins profond et les excitons sont devenus moins localisés pour fournir la première preuve directe d'excitons de moiré localisés dans les hétérostructures vdW à partir des premiers principes. L'équipe a ensuite déterminé l'énergie de liaison des excitons dans une variété de MoS 2 /WS 2 hétérostructures.

Réglage électrique des positions des excitons moirés

Les scientifiques ont ensuite représenté schématiquement un dispositif expérimental permettant le contrôle électrique des propriétés excitoniques. Tandis qu'un champ électrique positif pointant du disulfure de tungstène (WS 2 ) au bisulfure de molybdène (MoS 2 ) pourrait augmenter l'énergie du MoS 2 tout en baissant l'énergie de WS 2 , les effets étaient vice versa pour un champ électrique négatif. Lors de l'application d'un champ positif, l'électron et le trou des excitons moirés ont également changé de couche pour former un moiré intercouche avec la polarité opposée. Par ailleurs, un champ négatif pourrait réduire la bande interdite de l'hétérostructure et l'énergie des excitons intercalaires. De cette façon, Guo et al. utilisé le champ électrique pour régler et programmer l'emplacement, polarité, et l'énergie d'émission d'excitons moirés pour contrôler les supports d'information quantique à la demande. Même si les excitons moirés sont localisés, ils peuvent creuser un tunnel à travers les potentiels de moiré et diffuser sur de longues distances, par conséquent, la capacité de contrôler la diffusion des excitons soit améliorée soit supprimée est également intéressante à l'heure actuelle.

De cette façon, la grande famille des matériaux bidimensionnels a présenté une opportunité d'ingénierie sans précédent dans les matériaux quantiques, spécifiquement par rapport aux hétérostructures de dichalcogénure de métal de transition (TMD) 2-D avec des applications potentielles en tant qu'émetteurs quantiques ou lasers haute performance et twistronique. Entente, prédire et contrôler les excitons moirés dans les hétérostructures vdW est d'une grande importance scientifique, bien que très difficile. Hongli Guo et ses collègues ont utilisé des simulations de principes premiers pour relever les défis et offrir des informations critiques à l'échelle atomique et électronique qui sont jusqu'à présent restées inconnues. Ils ont déterminé la distribution des densités de charge d'excitons dans le disulfure de molybdène/disulfure de tungstène torsadé (MoS 2 /WS 2 ) hétérostructures en utilisant des calculs de premiers principes pour fournir une preuve directe d'excitons de moiré localisés dans les hétérostructures TMD. L'équipe a également montré comment le champ vertical pouvait être réglé pour contrôler la position, polarité, énergie d'émission et force d'hybridation des excitons moirés. L'équipe a prédit que les champs électriques alternatifs pourraient supprimer la diffusion des excitons moirés dans les matériaux 2D.

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