Der Rydberg-Zustand ist in einer Vielzahl physikalischer Plattformen wie Atomen, Molekülen und Festkörpern weit verbreitet. Insbesondere Rydberg-Exzitonen sind hochangeregte Coulomb-gebundene Zustände von Elektron-Loch-Paaren, die erstmals in den 1950er Jahren im Halbleitermaterial Cu2O entdeckt wurden.
In einer Studie veröffentlicht in Wissenschafthaben Dr Exzitonen im einschichtigen Halbleiter WSe2 neben dem kleinwinkelig verdrillten zweischichtigen Graphen (TBG).
Die Festkörpernatur der Rydberg-Exzitonen in Kombination mit ihren großen Dipolmomenten, starken gegenseitigen Wechselwirkungen und stark verstärkten Wechselwirkungen mit der Umgebung verspricht ein breites Anwendungsspektrum in der Sensorik, Quantenoptik und Quantensimulation.
Allerdings haben Forscher das Potenzial der Rydberg-Exzitonen noch nicht vollständig ausgeschöpft. Eines der Haupthindernisse liegt in der Schwierigkeit, Rydberg-Exzitonen effizient einzufangen und zu manipulieren. Der Aufstieg zweidimensionaler (2D) Moiré-Übergitter mit hochgradig einstellbaren periodischen Potentialen bietet einen möglichen Weg nach vorne.
In den letzten Jahren haben Dr. Sie haben eine neue Rydberg-Sensortechnik entwickelt, die die Empfindlichkeit von Rydberg-Exzitonen gegenüber der dielektrischen Umgebung nutzt, um die exotischen Phasen in einem nahegelegenen elektronischen 2D-System zu erkennen.
In dieser Studie fanden die Forscher mithilfe optischer Spektroskopiemessungen bei niedrigen Temperaturen zunächst, dass sich die Rydberg-Moiré-Exzitonen in Form mehrerer Energieaufspaltungen, einer ausgeprägten Rotverschiebung und einer verringerten Linienbreite in den Reflexionsspektren manifestieren.
Mithilfe numerischer Berechnungen der Gruppe von der Universität Wuhan führten die Forscher diese Beobachtungen auf die räumlich variierende Ladungsverteilung in TBG zurück, die eine periodische Potentiallandschaft (sogenanntes Moiré-Potenzial) für die Wechselwirkung mit Rydberg-Exzitonen erzeugt.
Der starke Einschluss von Rydberg-Exzitonen wird durch die weitgehend ungleichen Wechselwirkungen zwischen den Schichten der konstituierenden Elektronen und Löcher eines Rydberg-Exzitons aufgrund der räumlich akkumulierten Ladungen erreicht, die in den AA-gestapelten Regionen von TBG zentriert sind. Die Rydberg-Moiré-Exzitonen realisieren somit eine Elektron-Loch-Trennung und weisen den Charakter langlebiger Ladungstransfer-Exzitonen auf.
Die Forscher demonstrierten eine neuartige Methode zur Manipulation von Rydberg-Exzitonen, die in Massenhalbleitern nur schwer zu erreichen ist. Das langwellige (zig nm) Moiré-Übergitter in dieser Studie dient als Analogon zu den optischen Gittern, die durch einen Laserstrahl mit stehender Welle oder durch Anordnungen optischer Pinzetten erzeugt werden, die zum Einfangen von Rydberg-Atomen verwendet werden.
Darüber hinaus gewährleisten abstimmbare Moiré-Wellenlängen, elektrostatisches In-situ-Gating und eine längere Lebensdauer eine hervorragende Steuerbarkeit des Systems mit einer starken Licht-Materie-Wechselwirkung für eine bequeme optische Anregung und Auslesung.
Diese Studie bietet möglicherweise neue Möglichkeiten für die Verwirklichung des nächsten Schritts bei Rydberg-Rydberg-Wechselwirkungen und der kohärenten Steuerung von Rydberg-Zuständen mit potenziellen Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantenberechnung.
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Qianying Hu et al., Beobachtung von Rydberg-Moiré-Exzitonen, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adh1506