Lorsqu’un électron chargé négativement et un trou chargé positivement dans une paire restent liés après une excitation par la lumière, ils produisent des états appelés excitons. Ces états peuvent influencer les propriétés optiques des matériaux, permettant ainsi leur utilisation pour le développement de diverses technologies.
Une équipe de chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute, de l'Imperial College de Londres, de l'Université de Californie Riverside, de l'Université Carnegie Mellon et d'autres instituts du monde entier étudient la formation d'excitons depuis des années, tout en essayant d'identifier de nouveaux matériaux prometteurs pour des applications optoélectroniques. /P>
Dans un article publié dans Nature Physics , ils présentent la preuve d'un état dit d'isolant Mott excitonique dans un WSe2 /WS2 super-réseau de moiré basé sur un super-réseau de moiré (c'est-à-dire un motif d'interférence périodique résultant de la superposition de deux couches atomiques avec une périodicité légèrement différente).
"Dans nos travaux précédents, nous avons montré que l'interaction entre électrons et corrélations électroniques est forte dans ce WSe2 /WS2 super-réseau moiré", a déclaré à Phys.org Sufei Shi, l'un des chercheurs qui ont mené l'étude.
"Nous soupçonnons que l'interaction exciton-électron et exciton-exciton est également forte. Nous pouvons potentiellement utiliser cette forte corrélation d'excitons pour réaliser de nouveaux états quantiques d'excitons, qui sont des bosons et seraient différents des fermions (électrons)."
Shi et ses collègues étudient les super-réseaux moirés depuis un certain temps, en raison de leur structure unique qui les rend souhaitables pour la manipulation des excitons. Ces structures sont constituées de deux ou plusieurs cristaux atomiquement minces empilés les uns sur les autres, mais selon un angle de torsion caractéristique, produisant ce que l'on appelle un « désappariement de réseau ».
Dans leurs recherches précédentes, les chercheurs ont montré que l'interaction entre les électrons était particulièrement forte dans un super-réseau moiré basé sur WSe2 et WS2 cristaux. Dans leur nouvel article, ils ont entrepris d'examiner plus en détail cette même structure et d'explorer son potentiel en tant que plate-forme pour réaliser des états quantiques d'excitons.
"Dans notre expérience, nous avons principalement utilisé des techniques de spectroscopie optique, en particulier la spectroscopie de photoluminescence (PL)," a expliqué Shi. "L'énergie photonique émise par l'exciton intercouche en fonction du dopage (électrons ou trous ajoutés au super-réseau moiré) et de la puissance d'excitation (contrôlant le nombre moyen de densité d'excitons) révèle la forte répulsion électron-exciton et la répulsion exciton-exciton."
Les expériences menées par Shi et ses collègues ont rassemblé des preuves qu'un état isolant de Mott induit par un exciton émerge dans le WSe2 /WS2 structure, en particulier lorsqu'un exciton intercalaire occupe une cellule dans une cellule du super-réseau moiré. Cet état pourrait avoir des implications intéressantes pour l'étude et le développement de systèmes quantiques.
"La réalisation la plus notable de notre étude est la formation d'un état isolant excitonique de Mott, qui est une prédiction du modèle bosonique de Hubbard", a déclaré Shi. "Cela montre que la corrélation des excitons est effectivement forte dans le super-réseau moiré, et nous pouvons l'utiliser pour construire des états quantiques découlant de l'hamiltonien à N corps des bosons."
L'étude récente menée par cette équipe de chercheurs valide davantage les résultats précédents, soulignant le potentiel de ce WS2 /WSe2 super-réseau moiré pour étudier et concevoir de nouveaux états corrélés. L'état d'isolant excitonique de Mott qu'il a dévoilé pourrait être reproduit et examiné plus en détail dans de futures recherches, tout en informant également d'autres travaux utilisant la même plate-forme expérimentale.
"Dans nos prochaines études, nous souhaitons explorer le spin de vallée, un nouveau degré de liberté quantique, de cet état isolant excitonique de Mott", a ajouté Shi. "Nous souhaitons également utiliser nos nouvelles connaissances pour construire de nouveaux états quantiques et effectuer des simulations quantiques basées sur des excitons ou un mélange exciton-électron."
Plus d'informations : Zhen Lian et al, Isolateur Mott excitonique polarisé par Valley dans un super-réseau moiré WS2/WSe2, Nature Physics (2023). DOI :10.1038/s41567-023-02266-2.
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