В мире квантовых материалов произошло важное открытие. Исследователи из Молекулярной лаборатории Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли обнаружили, что муаровые потенциалы в слоистых дихалькогенидах переходных металлов (TMD) находятся в постоянном движении даже при низких температурах, что противоречит предыдущим представлениям о статичности этих структур.
Муаровые узоры возникают при наложении и повороте двух копий изображений с повторяющимися формами. Когда одиночные слои дихалькогенидов переходных металлов складываются вместе, они создают муаровые потенциалы – своеобразный «морской пейзаж» потенциальной энергии с повторяющимися пиками и впадинами. Это открытие, опубликованное в журнале ACS Nano, меняет наше понимание поведения квантовых частиц в таких системах.
Исследовательская группа под руководством Антонио Росси, бывшего постдокторанта под руководством Алекса Вебер-Баргиони, работала в сотрудничестве с Арчаной Раджей, научным сотрудником Молекулярной лаборатории, и Йонасом Ципфелем, постдокторантом из группы Раджи. Для теоретических расчетов и симуляций были привлечены Йоханнес Лишнер и Индраджит Майти из Имперского колледжа Лондона.
В ходе экспериментов ученые использовали сверхбыстрые лазеры и оптическую спектроскопию при температурах ниже -150°C. Зеленый импульсный лазер возбуждал электроны, создавая электронно-дырочные пары, известные как экситоны. В двухслойных системах электроны перемещались в слой дисульфида вольфрама, в то время как дырки оставались в слое диселенида вольфрама, формируя «межслойные экситоны» (IX).
Неожиданным результатом стало обнаружение того, что межслойные экситоны исследовали муаровый ландшафт, несмотря на то, что были захвачены в потенциальных впадинах. Движение межслойных экситонов оказалось зависимым от угла и температуры. Максимальное движение наблюдалось, когда слои TMD были параллельны. По мере приближения температуры к абсолютному нулю движение экситонов постепенно уменьшалось, но оставалось немного выше нуля.
Для объяснения этого явления исследователи предложили теорию, согласно которой квазичастица, называемая «фазоном», обеспечивает движение межслойных экситонов. Фазоны естественным образом присутствуют в муаровом потенциале и действуют как «сёрфборд», переносящий экситон через муаровый потенциал.
Это открытие имеет важные последствия для развития квантовых технологий. Оно может способствовать повышению стабильности квантовых систем, помогая уменьшить декогеренцию в кубитах и сенсорах. Антонио Росси, ныне работающий в Центре нанотехнологических инноваций NEST Технологического института Италии, планирует исследовать сверхпроводимость в скрученном двухслойном графене. Арчана Раджа намерена изучать различные полупроводниковые и муаровые системы, а также непосредственно визуализировать фазоны.
Данное исследование является частью усилий Лаборатории Беркли по развитию квантовых информационных систем и вносит значительный вклад в фундаментальные знания в области материаловедения. Оно раскрывает новый механизм транспорта энергии и информации при различных температурах, что может иметь широкие применения в квантовых вычислениях и коммуникациях.
Открытие фазонов и их роли в движении межслойных экситонов представляет собой значительный шаг вперед в понимании квантовых явлений в двумерных материалах и открывает новые перспективы для создания стабильных квантовых устройств, способных работать при низких температурах.
Изображение носит иллюстративный характер
Муаровые узоры возникают при наложении и повороте двух копий изображений с повторяющимися формами. Когда одиночные слои дихалькогенидов переходных металлов складываются вместе, они создают муаровые потенциалы – своеобразный «морской пейзаж» потенциальной энергии с повторяющимися пиками и впадинами. Это открытие, опубликованное в журнале ACS Nano, меняет наше понимание поведения квантовых частиц в таких системах.
Исследовательская группа под руководством Антонио Росси, бывшего постдокторанта под руководством Алекса Вебер-Баргиони, работала в сотрудничестве с Арчаной Раджей, научным сотрудником Молекулярной лаборатории, и Йонасом Ципфелем, постдокторантом из группы Раджи. Для теоретических расчетов и симуляций были привлечены Йоханнес Лишнер и Индраджит Майти из Имперского колледжа Лондона.
В ходе экспериментов ученые использовали сверхбыстрые лазеры и оптическую спектроскопию при температурах ниже -150°C. Зеленый импульсный лазер возбуждал электроны, создавая электронно-дырочные пары, известные как экситоны. В двухслойных системах электроны перемещались в слой дисульфида вольфрама, в то время как дырки оставались в слое диселенида вольфрама, формируя «межслойные экситоны» (IX).
Неожиданным результатом стало обнаружение того, что межслойные экситоны исследовали муаровый ландшафт, несмотря на то, что были захвачены в потенциальных впадинах. Движение межслойных экситонов оказалось зависимым от угла и температуры. Максимальное движение наблюдалось, когда слои TMD были параллельны. По мере приближения температуры к абсолютному нулю движение экситонов постепенно уменьшалось, но оставалось немного выше нуля.
Для объяснения этого явления исследователи предложили теорию, согласно которой квазичастица, называемая «фазоном», обеспечивает движение межслойных экситонов. Фазоны естественным образом присутствуют в муаровом потенциале и действуют как «сёрфборд», переносящий экситон через муаровый потенциал.
Это открытие имеет важные последствия для развития квантовых технологий. Оно может способствовать повышению стабильности квантовых систем, помогая уменьшить декогеренцию в кубитах и сенсорах. Антонио Росси, ныне работающий в Центре нанотехнологических инноваций NEST Технологического института Италии, планирует исследовать сверхпроводимость в скрученном двухслойном графене. Арчана Раджа намерена изучать различные полупроводниковые и муаровые системы, а также непосредственно визуализировать фазоны.
Данное исследование является частью усилий Лаборатории Беркли по развитию квантовых информационных систем и вносит значительный вклад в фундаментальные знания в области материаловедения. Оно раскрывает новый механизм транспорта энергии и информации при различных температурах, что может иметь широкие применения в квантовых вычислениях и коммуникациях.
Открытие фазонов и их роли в движении межслойных экситонов представляет собой значительный шаг вперед в понимании квантовых явлений в двумерных материалах и открывает новые перспективы для создания стабильных квантовых устройств, способных работать при низких температурах.
