Физики разглядели структуру муарового экситона

Американские и японские физики сообщили об измерении пространственного распределения электрона и дырки, связанных в межслойный экситон в муаровой сверхрешетке. Они выяснили, что для малых периодов сверхрешетки центр масс экситона обладает высокой степенью локализации в минимумах ее потенциала, что может открыть дорогу к созданию новых источников света для квантовых технологий. Исследование опубликовано в Nature.

Муаровые сверхрешетки образуются, если есть несоответствие между периодами двух кристаллических слоев, расположенных один поверх другого. Это несоответствие можно создать, либо поворачивая одинаковые слои относительно друг друга, либо наслаивая друг на друга различные материалы. Дополнительная и контролируемая пространственная модуляция позволяет физикам придавать материалам новые уникальные свойства.

К их числу относятся свойства экситонов, электроны и дырки которых находятся в разных слоях (такие экситоны называют межслойными). Межслойные экситоны демонстрируют большое время жизни и поддаются управлению, в том числе с помощью локализации в минимумах муарового потенциала. Для практического применения физики должны понимать, как распределены волновые функции электронов и дырок, в частности, степень локализации центра масс экситона в узлах муаровой сверхрешетки. От этого зависит, будут ли такие экситоны образовывать конденсат, формировать комплексы или демонстрировать моттовский переход.

До сих пор исследования межслойных экситонов в муаровых сверхрешетках были сосредоточены на больших периодах последних. Информацию о них физики обычно получают с помощью оптической спектроскопии, которая дает доступ лишь к узкому сектору импульсной волновой функции экситона, и для получения полной картины им приходится использовать феноменологические (то есть, не из первых принципов) потенциалы. Недавно мы рассказывали о более прямом способе измерения волновой функции, основанном на фотоэлектронной спектроскопии с угловым и временным разрешением. С ее помощью, однако, удалось измерить только электронную часть экситона в монослое диселенида вольфрама.

Теперь та же группа американских и японских физиков под руководством Кешав Дани (Keshav Dani) из Окинавского института науки и технологий сообщила о применении этой техники к экситону, возбуждаемому в двухслойной структуре их диселенида вольфрама и дисульфида молибдена с небольшим периодом сверхрешетки. Им удалось восстановить волновые функции как электрона, так и дырки, а также оценить степень локализации центра масс экситона в минимуме муарового потенциала.

Метод фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением опирается на облучении образца импульсом света в диапазоне экстремального ультрафиолета. Выбитые электроны собирает импульсный фотоэлектронный микроскоп, в котором установлен трехмерных времяпролетный детектор, измеряющий направление и величину электронных импульсов. Таким способом авторы в начале работы убедились в том, что теория правильно описывает зонную структуру невозмущенной гетероструктуры.

На следующем этапе физики применили подход накачки-зондирования с временным разрешением. Для этого зондирующему ультрафиолетовому импульсу предшествовал оптический импульс накачки длительностью 170 фемтосекунд и энергией фотонов 1,67 электронвольт, который возбуждал в диселениде вольфрама A-экситон. Интервал между импульсами варьировался, но всегда составлял несколько десятков пикосекунд, которые требуются электрону для миграции в слой дисульфида молибдена и стабилизации межслойного экситона.

Экситонные электроны проявляют себя через характерные пятна в импульсном распределении, которое видит микроскоп. Вместе с тем он же наблюдает провалы в валентной зоне, которые соответствуют дыркам. Чтобы получить информацию об их импульсном распределении, физики вычитали сигналы от ненакачанной и накачанной гетероструктуры. Полученную информацию исследователи трансформировали с помощью преобразования Фурье в пространственные распределения электрона относительно дырки и центра масс пары.

Оказалось, что средний диаметр экситона, равный 5,2 нанометров в целом сопоставим с размером элементарной ячейки сверхрешетки, чья длина в эксперименте была равна 6,2 нанометрам. Вместе с тем центр масс экситона продемонстрировал высокую локализацию в регионе диаметром 1,8 нанометров. Такая высокая степень локализации открывает дорогу к созданию протяженных периодических массивов из экситонов, которые могут служить источником света с необычными квантовыми свойствами. Однородность такого массива будет обеспечиваться малым по сравнению с возможными дефектами периодом сверхрешетки.

Описанный способ визуализации пространственных волновых функций электронов и дырок — не единственный. Ранее мы уже рассказывали, как это делают с помощью сканирующего туннельного микроскопа и генерации боковых полос высшего порядка.

Марат Хамадеев