Preuve d'isolants excitoniques dans les super-réseaux moirés

Le système à double couche se compose de l'isolant Mott (couche supérieure) et de l'isolant de bande (le WSe₂ monocouche). L'isolant de Mott a un trou par site de réseau moiré et l'isolant de bande est intrinsèque. Nous ajoutons des électrons à l'isolant de Mott et un nombre égal de trous au WSe₂ monocouche. Les trous dans le WSe₂ monocouche évitera les positions sous le site du réseau de moiré qui sont occupées par des trous en raison de la forte interaction coulombienne intercouche. Après la transformation particule-trou par rapport à l'isolant de Mott, les électrons dopés dans l'isolant de Mott peuvent se lier spontanément aux trous de l'isolant de Mott. Crédit :Zhang et al

Les excitons sont des quasi-particules qui se forment dans les isolants ou les semi-conducteurs lorsqu'un électron est promu vers une bande d'énergie plus élevée, laissant derrière lui un trou chargé positivement.

En présence d'une forte interaction de Coulomb, les électrons et les trous (lacunes laissées par l'électron considéré comme une quasi-particule chargée positivement) forment des paires électron-trou étroitement liées, appelées excitons.

Ce processus provoque la liaison de l'électron et du trou, créant un exciton, qui est essentiellement une concentration mobile d'énergie qui se comporte de la même manière que les particules. Les excitons sont omniprésents dans les semi-conducteurs à excitation optique. Cependant, dans de rares cas, ils peuvent se former spontanément dans un semi-conducteur ou un semi-métal à petite bande interdite.

Dans les années 1960, le physicien Nevill Mott a avancé une hypothèse théorique intéressante, suggérant que si la structure de bande d'un matériau devait être réglée d'une manière spécifique (c'est-à-dire avec un niveau d'énergie supérieur inférieur au niveau d'énergie inférieur à certains points), alors l'état fondamental du système contiendrait des excitons. Les excitons dans un tel système seraient chargés de manière neutre, ainsi le matériau pourrait être classé comme isolant.

Alors que de nombreux physiciens se sont appuyés sur l'hypothèse intéressante de Mott, jusqu'à présent, elle n'avait jamais été prouvée dans un cadre expérimental. C'était jusqu'à l'année dernière, lorsque deux équipes de recherche différentes de l'Université de Princeton et de l'Université de Washington ont recueilli la première preuve expérimentale d'un état isolant excitonique dans le ditellurure de tungstène monocouche.

Récemment, des recherches menées par deux autres groupes de recherche ont démontré la création d'isolants excitoniques, en utilisant ce que l'on appelle des super-réseaux moirés. Les super-réseaux moirés sont des hétérostructures caractérisées par des couches 2D empilées les unes sur les autres, avec un angle de torsion ou un décalage de réseau. La première de ces études, menée par l'équipe de l'UC Berkeley et publiée dans Nature Physics , ont rapporté l'observation d'un état isolant d'excitons intercouche corrélé dans une hétérostructure constituée d'un WSe₂ monocouche et un WS2/WSe₂ bicouche moirée.

"Les isolateurs excitoniques, proposés pour la première fois par N.F. Mott en 1961, avaient déjà été démontrés dans le système à double couche quantique Hall, où les niveaux de Landau dans un champ magnétique fort sont des bandes électroniques plates qui suppriment l'énergie cinétique et améliorent la corrélation électron-trou."

Zuocheng Zhang, l'un des chercheurs de l'UC Berkeley qui a mené cette autre étude, a déclaré à Phys.org. "Nous avons examiné si nous pouvions réaliser l'isolant d'exciton intercouche à champ magnétique nul."

Les super-réseaux moirés sont des structures largement étudiées qui sont également connues pour héberger des bandes électroniques plates. Zhang et ses collègues ont décidé d'intégrer le super-réseau moiré dans un système à double couche, puis ont recherché l'état isolant excitonique à un champ magnétique de zéro.

"Nous avons réalisé une hétérostructure double couche composée d'un WS₂ /WSe₂ bicouche moiré et un WSe₂ monocouche », a expliqué Zhang. « Un hBN de 1 nm d'épaisseur sépare ces deux couches. Nous empilons la bicouche moirée, la couche isolante hBN et un WSe₂ monocouche en utilisant la technologie de transfert d'essai à base de polymère."

L'autre groupe qui a observé un isolant excitonique dans un super-réseau moiré comprenait des chercheurs de différents instituts aux États-Unis, en Chine et au Japon, dont le Rensselaer Polytechnic Institute, l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, l'Université de Californie Riverside, l'Université du Texas à Dallas, Arizona State University et l'Institut national des sciences des matériaux au Japon. Cette grande collaboration de recherche a spécifiquement utilisé une bicouche naturelle WSe₂ et une monocouche WS2 pour construire un isolant excitonique à trois couches.

Un schéma qui montre l'état EI, avec les électrons et les trous effectifs occupant différentes couches de WSe₂ . Crédit :Chen et al

"Le but de notre étude était de démontrer un nouvel état isolant, proposé il y a plus de 50 ans par Leonid Keldysh et d'autres", a déclaré Sufei Shi, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. "Il est prédit que, dans un semi-conducteur à petite bande interdite ou un semi-métal, des électrons et des trous coexistants se lieront spontanément lorsque l'interaction de Coulomb est forte, formant un état fondamental isolant, un isolant excitonique. On pense que cet état partage une certaine similitude avec les quasiparticules ( paire de cuivre BCS) qui donnent naissance à la supraconductivité et peuvent conduire à des phénomènes cohérents macroscopiques."

L'objectif clé des travaux récents de Shi et de ses collègues était de créer un système isolant excitonique robuste à l'aide de matériaux 2D. Ces matériaux ont été combinés pour former une nouvelle structure périodique, en utilisant des techniques d'ingénierie de bande.

"Nous choisissons la combinaison d'une bicouche naturelle WSe₂ et une monocouche WS2 pour construire un isolant excitonique à trois couches", a déclaré Shi. "Ces deux matériaux ont été obtenus par exfoliation mécanique (la même technique utilisée pour obtenir du graphène)."

Après avoir obtenu les matériaux pour leur système, les chercheurs les ont assemblés pour former un super-réseau moiré, contrôlant avec précision l'angle de torsion entre les couches (c'est-à-dire avec 0 ou 60 degrés). Ils ont ensuite essayé de le concevoir de manière à ce qu'il ait à la fois des électrons et des trous, pour activer l'état d'isolant excitonique.

"Dans le système moiré, une bande d'énergie plate se forme à l'interface entre WSe₂ et WS2, qui nous permet d'ajuster la polarité des porteuses, c'est-à-dire que les porteuses ressemblent à des trous près du haut de la bande et à des électrons près du bas de la bande », a déclaré le professeur Yong-Tao Cui de l'UC Riverside, un senior auteur du deuxième ouvrage, a déclaré.

"La couche supplémentaire de WSe₂ apporte une bande trouée. Par conséquent, en utilisant un champ électrique, nous pouvons accorder la bande de moiré plat pour héberger des électrons tandis que les trous sont dans le second WSe₂ bande. Cela crée la condition d'électrons et de trous coexistants, qui interagissent fortement pour former l'état isolant excitonique. Cette hypothèse a également été confirmée par les calculs effectués par le groupe du professeur Chuanwei Zhang à l'UT Dallas."

Le nouvel isolant d'exciton intercouche corrélé démontré par Zhang et ses collègues de l'UC Berkeley comprenait les trous d'un isolant de bande (dans le WSe₂ monocouche) et les électrons d'un isolant de Mott (dans le WS2/WSe₂ bicouche moirée). L'état d'isolant démontré par Shi et ses collègues, d'autre part, était basé sur un WSe₂ naturel bicouche et une monocouche WS2.

"Notre étude met en évidence les opportunités d'exploration de nouveaux phénomènes quantiques dans les systèmes de moiré à double couche", a ajouté Zhang. "Les excitons intercouches de notre système peuvent potentiellement former un condensat d'excitons à des températures suffisamment basses. Nous prévoyons maintenant d'effectuer d'autres expériences visant à démontrer la superfluidité des excitons."

Les études récentes de ces deux équipes de chercheurs mettent en évidence le potentiel des systèmes moirés double couche comme plateformes de réalisation de phases quantiques. À l'avenir, ils pourraient ouvrir la voie à davantage de recherches utilisant des super-réseaux de moiré pour étudier la physique à plusieurs corps corrélée en 2D.

"Nous avons construit un isolant excitonique robuste avec une température de transition aussi élevée que 90 K", a ajouté Shi. "Le système est également hautement accordable avec un champ électrique. Ce système EI robuste permet l'étude future de l'EI, en particulier sur les nouveaux états quantiques et leurs effets cohérents macroscopiques. Par exemple, nous explorerons la superfluidité des excitons." + Explorer plus loin