Американські і японські фізики повідомили про вимірювання просторового розподілу електрона і дірки, пов'язаних у міжшаровий ексітон в муаровій надрешітці. Вони з'ясували, що для малих періодів надрешітки центр мас екситону володіє високим ступенем локалізації в мінімумах її потенціалу, що може відкрити дорогу до створення нових джерел світла для квантових технологій. Дослідження опубліковано в.
Муарові надрешітки утворюються, якщо є невідповідність між періодами двох кристалічних шарів, розташованих один поверх іншого. Це невідповідність можна створити, або повертаючи однакові шари відносно один одного, або нашаровуючи один на одного різні матеріали. Додаткова та контрольована просторова модуляція дозволяє фізикам надавати матеріалам нові унікальні властивості.
До їх числа належать властивості екситонів, електрони і дірки яких знаходяться в різних шарах (такі ексітони називають міжшаровими). Міжшарові ексітони демонструють великий час життя і піддаються управлінню, в тому числі за допомогою локалізації в мінімумах муарового потенціалу. Для практичного застосування фізики повинні розуміти, як розподілені хвильові функції електронів і дірок, зокрема, ступінь локалізації центру мас ексітону у вузлах муарової надрешітки. Від цього залежить, чи будуть такі ексітони утворювати конденсат, формувати комплекси або демонструвати моттовський перехід.
Досі дослідження міжшарових ексітонів у муарових надрешітках були зосереджені на великих періодах останніх. Інформацію про них фізики зазвичай отримують за допомогою оптичної спектроскопії, яка дає доступ лише до вузького сектору імпульсної хвильової функції ексітону, і для отримання повної картини їм доводиться використовувати феноменологічні (тобто, не з перших принципів) потенціали. Нещодавно ми розповідали про більш прямий спосіб вимірювання хвильової функції, заснований на фотоелектронній спектроскопії з кутовою і тимчасовою роздільною здатністю. З її допомогою, однак, вдалося виміряти тільки електронну частину ексітону в моношарі диселеніда вольфрама.
Тепер та ж група американських і японських фізиків під керівництвом Кешав Дані (Keshav Dani) з Окінавського інституту науки і технологій повідомила про застосування цієї техніки до ексітону, що збуджується в двошаровій структурі їх диселеніда вольфрама і дисульфіду молібдену з невеликим періодом надрешітки. Їм вдалося відновити хвильові функції як електрону, так і дірки, а також оцінити ступінь локалізації центру мас екситону в мінімумі муарового потенціалу.
Метод фотоелектронної спектроскопії з кутовою роздільною здатністю спирається на опромінення зразка імпульсом світла в діапазоні екстремального ультрафіолету. Вибиті електрони збирає імпульсний фотоелектронний мікроскоп, в якому встановлено тривимірних времяпролетний детектор, що вимірює напрямок і величину електронних імпульсів. Таким способом автори на початку роботи переконалися в тому, що теорія правильно описує зонну структуру невідшкодованої гетероструктури.
На наступному етапі фізики застосували підхід накачування-зондування з тимчасовою роздільною здатністю. Для цього зондуючому ультрафіолетовому імпульсу передував оптичний імпульс накачування тривалістю 170 фемтосекунд і енергією фотонів 1,67 електронвольт, який збуджував у диселеніді вольфрама A-ексітон. Інтервал між імпульсами варіювався, але завжди становив кілька десятків пікосекунд, які потрібні електрону для міграції в шар дисульфіду молібдену і стабілізації міжшарового ексітона.
Екситонні електрони проявляють себе через характерні плями в імпульсному розподілі, яке бачить мікроскоп. Разом з тим він же спостерігає провали в валентній зоні, які відповідають діркам. Щоб отримати інформацію про їх імпульсний розподіл, фізики віднімали сигнали від ненакачаної і накачаної гетероструктури. Отриману інформацію дослідники трансформували за допомогою перетворення Фур'є в просторові розподілу електрона щодо дірки і центру мас пари.
Виявилося, що середній діаметр ексітона, рівний 5,2 нанометрів загалом можна порівняти з розміром елементарної комірки надрешітки, чия довжина в експерименті дорівнювала 6,2 нанометрам. Разом з тим центр мас ексітону продемонстрував високу локалізацію в регіоні діаметром 1,8 нанометрів. Такий високий ступінь локалізації відкриває дорогу до створення протяжних періодичних масивів з екситонів, які можуть служити джерелом світла з незвичайними квантовими властивостями. Однорідність такого масиву буде забезпечуватися малим порівняно з можливими дефектами періодом надрешітки.
Описаний спосіб візуалізації просторових хвильових функцій електронів і дірок - не єдиний. Раніше ми вже розповідали, як це роблять за допомогою скануючого тунельного мікроскопа і генерації бічних смуг вищого порядку.