Ein Moiré -Muster erscheint, wenn Sie zwei Kopien eines Bildes mit regelmäßig wiederholenden Formen stapeln und drehen, und einfache Muster von Quadräten oder Dreiecken in ein grooviges Wellenmuster verwandelt, das sich in einer optischen Freude über das kombinierte Bild bewegt.
In ähnlicher Weise können einzelne Schichten von Sub-Nanometer-dicken Halbleitermaterialien, die als Übergangsmetalldichalkogenide (TMD) bekannt sind, ein Moiré-Potential erzeugen, und neue elektronische und optoelektronische Eigenschaften zwischen den Schichten.
Ein Moiré -Potential ist eine „Meereslandschaft“ potentieller Energie mit regelmäßig wiederholten Spitzen und Tälern. Sie wurden zuvor als stationär angesehen. Ein Team von Forschern der Molecular Foundry im Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hat jedoch etwas Ungewöhnliches über die Moiré -Potentiale aufgedeckt, die sich entstehen, wenn TMDs gestapelt sind: Sie bewegen sich ständig, selbst bei niedrigen Temperaturen.
Ihre Entdeckung trägt zum grundlegenden Wissen in der Materialwissenschaft bei. Es ist auch vielversprechend, die Stabilität von Quantum -Technologien voranzutreiben, da die Kontrolle von Moiré -Potentialen dazu beitragen könnte, die Dekohärenz in Qubits und Sensoren zu mildern. Dekohärenz tritt auf, wenn Interferenz dazu führt, dass der Quantenzustand und seine Informationen verloren gehen. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in ACS Nano.
Die Forschung ist Teil der breiteren Bemühungen im Berkeley Lab, die Quanteninformationssysteme durch das gesamte Quantum-Forschungs-Ökosystem zu fördern, von der Theorie bis zur Anwendung, um quantumbasierte Geräte zu erstellen und zu testen und Software und Algorithmen zu entwickeln.
Die Forschung wurde von Antonio Rossi geleitet, einem ehemaligen Postdoktoranden unter dem molekularen Foundry-Wissenschaftler Alex Weber-Bargioni. Rossi kehrte in Berkeley Lab zurück, um mit dem Wissenschaftler Archana Raja Archana Raja zusammenzuarbeiten und die Werkzeuge in der Bildgebung und Manipulation der Nanostrukturen der Gießerei zu nutzen.
Unerwartete Mobilität im Moiré Seascape
Das Labor von Raja konzentriert sich auf die Charakterisierung von 2D -Materialien mit ultraschnellen Lasern und optischen Spektroskopie bei Temperaturen unter -150 ° C. Aufregend Die geschichteten TMD -Proben mit einem grün gepulsten Laser -Laser energetisiert Elektronen und veranlasst sie, von ihrem Grundzustand zu einem aufgeregten zu springen. Aufgeregte Elektronen hinterlassen ein „Loch“ mit einer positiven Ladung, was zu einem Elektronenlochpaar oder Exziton führt.
Anzeige 2 NS Moiré -Dynamik bei endlicher Temperatur. Kredit: ACS Nano (2024). Doi: 10.1021/acsnano.4c00015
Es ist bekannt, dass Exzitonen in einschichtigen Materialien bilden. Exzitonen im gestapelten zweischichtigen System getrennt; Elektronen bewegen sich in die Wolframdisulfidschicht, und in der Wolframdiserenidschicht werden positiv geladene Löcher zurückgelassen. In der Materialgemeinschaft werden diese speziellen Schicht-Jumping-Exzitonen als „Zwischenschicht-Exzitonen“ oder IXs bezeichnet.
„Sie würden erwarten, dass die Moiré -Täler als Fallen fungieren“, sagte Rossi. „Sobald der Exziton da drin ist, ist er im Grunde gefangen. Es ist wie sitzen (in einem Tal), und alles, was Sie sehen können, sind die Berge um Sie herum. Sie bewegen sich nicht.“
Das Team bemerkte jedoch, dass IXS den Seelandcape des Moiré erforschte, obwohl er darin gefangen war. „Es braucht nur sehr wenig Energie, um dieses Potenzial von Moiré zu bewegen, sodass sich der Moiré genau wie ein stürmisches Meer bewegt“, erklärte Rossi.
„Wir haben gezeigt, dass Energie und Informationen selbst bei sehr kalten Temperaturen nicht so lokalisiert sind, wie Sie vielleicht erwarten. Dies geschieht aufgrund eines speziellen mechanischen Eigentums des Moiré -Musters“, sagte Raja. „Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Energie und Informationen bei unterschiedlichen Temperaturen zu transportieren. Dies ist eine neue Möglichkeit, dies zu tun.“
Der Mitarbeiter Jonas Zipfel, ein Postdoktorandforscher in Rajas Gruppe, arbeitete mit Rossi zusammen, um ihre Messungen zu automatisieren, um die Bewegung der Exzitonen besser zu verstehen. „Jonas ‚Arbeit machte es so, dass wir nahtlos Lumineszenzspektren, Bild und Lebensdauer (Daten) sammeln konnten, die es uns ermöglichten, die Diffusivität (Bewegung) der Exzitonen zu extrahieren“, sagte Raja.
Um die Beobachtung von Exzitonen in Bewegung zu ermöglichen, verwendeten Johannes Lischner und Indrajit Maity vom Imperial College London Simulationen, um Schnappschüsse des Potenzials des Moiré „SeelaScape“ zu erhalten. Sie wollten sehen, wie es sich zu unterschiedlichen Zeiten verhielt.
Durch die Zusammenarbeit mit Theoretikern Lischner und Maity kam das Forschungsteam zur einzigen logischen Erklärung für ihre Beobachtungen: Das Moiré -Potenzial selbst muss sich bewegen.
Fangen Sie in Bewegung ein Tief-Temperatur-Quasipartikel in Bewegung
Die Forscher haben vorgeschlagen, dass ein Low-Temperature-Quasipartikel namens Phason es dem IX ermöglicht, sich selbst während der Einklang zu bewegen. Ein Quasitikel ist ein Energiequantum innerhalb eines Kristallgitters; Es hat Impuls und Position und verhält sich im Allgemeinen wie ein Teilchen. Phasonen sind Quasistikichte, die von Natur aus im Moiré -Potential vorhanden sind.
„Sie haben die (Zwischenschicht) Exciton, die den Moiré surft und sich bewegt“, erklärte Rossi. Er glaubt, dass der Phason die Bewegung auf die gleiche Weise vermittelt, wie es einem Surfbrett es einem Surfer ermöglicht, Wellen zu fangen. „Es trägt in gewisser Weise die Exziton.“
Rossi und Team fanden die Bewegung der Zwischenschicht-Exzitonen innerhalb des Moiré-Potentials als Winkel und temperaturabhängig. Ihre Bewegung ist maximal, wenn die TMD -Schichten parallel sind (wenn sich die Moleküle der gestapelten Schichten in die gleiche Richtung ausrichten).
Wenn sich die Systemtemperatur Null nähert, verjüngt sich die Bewegung der Zwischenschicht -Exzitonen allmählich zu einer Zahl, die etwas höher als Null ist, anstatt vollständig zu stoppen. Und obwohl die Zahl klein ist, ist sie erheblich.
Rossi erklärte: „Es war eine Überraschung festzustellen, dass diese Bewegung auch bei sehr niedrigen Temperaturen geschieht, wenn alles gefroren sein soll.“
Zu seinen nächsten Schritten gehören die Untersuchung der Superkonditionivität in verdrehtem Doppelschicht -Graphen, das möglicherweise aus Phason -Quasitikeln entstehen kann. Rossi forscht derzeit für das Zentrum der Nanotechnologie -Innovation am Nest, Institute of Technology, Italien.
Raja ist daran interessiert, verschiedene Halbleiter- und Moiré -Systeme zu erkunden. Sie ist auch fasziniert von der Möglichkeit, Phasonen direkt zu bilden. Sie sagte: „Unsere Beweise hier sind durch die Verbreitung der (Zwischenschicht-) Exziton, aber wir haben den Phason noch nicht unbedingt erwischt.“
Weitere Informationen:
Antonio Rossi et al., Anomale Zwischenschicht -Exziton -Diffusion in WS2/WSE2 Moiré -Heterostruktur, ACS Nano (2024). Doi: 10.1021/acsnano.4c00015