Физики увидели развитие энергетического уровня изолированной вакансии в монослойном кристалле

Немецкие физики смогли напрямую различить по времени, пространству и энергии, как развивается спин-орбитально-расщепленный уровень изолированной вакансии селена (Se) в муар-искаженном монослое селенида вольфрама (WSe₂). Для этого они генерировали контролируемые колебания кристаллической решетки и делали снимки состояния вакансии при помощи световолновой cканирующей туннельной микро- и спектроскопии. Статья опубликована в журнале Nature Photonics.

Ученые используют дефекты в кристаллах как сравнительно простые квантовые объекты для изучения. С практической точки зрения сильная связь света и материи, большое спин-орбитальное взаимодействие и расширенные кулоновские корреляции дефектов в тонких полупроводниках и их муаровых гетероструктурах облегчают создание интерфейса для будущих операций с кубитами и эффективных однофотонных квантовых эмиттеров. Тем не менее непосредственное наблюдение взаимодействия электронной структуры отдельного дефекта с другими микроскопическими элементарными возбуждениями на их собственных масштабах длины, времени и энергии до сих пор было сложной задачей.

Для ее решения физики под руководством Яши Реппа (Jascha Repp), Руперта Хубера (Rupert Huber) и Ярослава Герасименко (Yaroslav Gerasimenko) из Университета Регенсбурга предложили использовать метод управляемой световыми волнами сканирующей туннельной спектроскопии с разрешением по времени. С помощью этого метода ученым удалось пронаблюдать, как движение атомов кристаллической решетки модулировало спин-орбитально-расщепленные энергетические уровни изолированной вакансии селена в муар-искаженном монослое селенида вольфрама на подложке из золота (Au). Физики делали сверхбыстрые снимки электронных туннельных спектров, которые достигли атомного пространственного и временного разрешения 300 фемтосекунд. На этих снимках ученые разглядели переходные энергетические сдвиги нижнего связанного дефектного состояния на величину до 40 миллиэлектронвольт, в зависимости от амплитуды и фазы локально возбужденного когерентного колебания решетки.

Физики измерили как возбуждение акустических мод адиабатически сдвигает первый энергетический уровень дефекта на временах меньше периода колебания решетки. При этом они обнаружили неожиданное однополярное и немонотонное поведение сдвига с ростом амплитуды колебаний. Ученые считают, что такое отклонение от теоретического предсказания возникает из-за сложного взаимодействия между различными дефектами кристаллической решетки.

Такой метод изучения изолированных квантовых объектов в реальном пространстве дополнит уже известные методы исследования особенностей кристаллов в импульсном пространстве, которые с успехом применяются, например, для изучения топологических фононов в графене.