Exzitonen ziehen als mögliche Quantenbits (Qubits) in den Quantencomputern von morgen die Aufmerksamkeit auf sich und sind von zentraler Bedeutung für die Optoelektronik und Energiegewinnungsprozesse. Diese ladungsneutralen Quasiteilchen, die in Halbleitern und anderen Materialien vorkommen, sind jedoch notorisch schwer einzugrenzen und zu manipulieren.
Jetzt haben Forscher zum ersten Mal hochgradig lokalisierte Exzitonen erzeugt und direkt beobachtet, die in einfachen Stapeln aus atomar dünnen Materialien eingeschlossen sind. Die Arbeit bestätigt theoretische Vorhersagen und eröffnet neue Wege zur Kontrolle von Exzitonen mit maßgeschneiderten Materialien.
„Die Idee, dass man Exzitonen auf bestimmten Gitterplätzen lokalisieren kann, indem man einfach diese 2D-Materialien stapelt, ist aufregend, weil es eine Vielzahl von Anwendungen gibt, von Designer-optoelektronischen Geräten bis hin zu Materialien für die Quanteninformationswissenschaft“, sagte Archana Raja, Co-Leiterin des Projekts und ein Mitarbeiter der Molecular Foundry des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), dessen Gruppe die Geräteherstellung und Charakterisierung durch optische Spektroskopie leitete.
Das Team fertigte Geräte durch Stapeln von Schichten aus Wolframdisulfid (WS2) und Wolframdiselenid (WSe2). Eine kleine Abweichung im Abstand der Atome in den beiden Materialien führte zu einem Moiré-Übergitter, einem größeren periodischen Muster, das aus der Überlappung zweier kleinerer Muster mit ähnlichen, aber nicht identischen Abständen von Elementen entsteht.
Unter Verwendung modernster Elektronenmikroskopie-Tools sammelten die Forscher strukturelle und spektroskopische Daten der Geräte und kombinierten Informationen aus Hunderten von Messungen, um die wahrscheinlichen Positionen von Exzitonen zu bestimmen.
„Wir haben im Grunde alle fortschrittlichsten Fähigkeiten unseres fortschrittlichsten Mikroskops verwendet, um dieses Experiment durchzuführen“, sagte Peter Ercius, der die Bildgebungsarbeit am National Center for Electron Microscopy der Molecular Foundry leitete. „Wir haben die Grenzen von allem, was wir tun können, verschoben, von der Herstellung der Probe über die Analyse der Probe bis hin zur Theorie.“
Theoretische Berechnungen unter der Leitung von Steven Louie, leitender Wissenschaftler der Fakultät am Berkeley Lab und angesehener Physikprofessor an der UC Berkeley, ergaben, dass in den gestapelten Materialien große atomare Rekonstruktionen stattfinden, die die elektronische Struktur modulieren, um eine periodische Anordnung von „Fallen“ zu bilden. wo Exzitonen lokalisiert werden. Die Entdeckung dieser direkten Beziehung zwischen den strukturellen Änderungen und der Lokalisierung von Exzitonen stellt das bisherige Verständnis dieser Systeme auf den Kopf und etabliert einen neuen Ansatz zum Entwerfen optoelektronischer Materialien.
Die Ergebnisse des Teams werden in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel beschrieben Wissenschaft mit den Postdoktoranden Sandhya Susarla (jetzt Professorin an der Arizona State University) und Mit H. Naik als Co-Hauptautoren. Als nächstes wird das Team Ansätze untersuchen, um das Moiré-Gitter nach Bedarf abzustimmen und das Phänomen robuster gegenüber Materialstörungen zu machen.
Mehr Informationen:
Sandhya Susarla et al., Hyperspektrale Bildgebung des Exzitoneneinschlusses innerhalb einer Moiré-Einheitszelle mit einer Subnanometer-Elektronensonde, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.add9294