Учёные научились управлять экситонными конфигурациями в трёхслойных муаровых сверхрешётках

Рисунок (a) Схема DX и QX в муаровых бислойных и трислойных областях. (b) Спектры фотолюминесценции в зависимости от номинального электрического поля при разных интенсивностях возбуждения. (c) Интегрированная интенсивность фотолюминесценции в зависимости от легирования и номинального электрического поля. Автор: Менг и др.

Международная исследовательская группа под руководством Суфей Ши из Университета Карнеги-Меллон разработала новый метод контроля экситонных состояний в атомарно тонких полупроводниках. Их работа, опубликованная в Nature Photonics, позволяет управлять переходами между квадрупольными и дипольными экситонами в трёхслойных муаровых сверхрешётках.

Муаровые сверхрешётки — это периодические структуры, образующиеся при stacking двух или более тонких полупроводниковых слоёв с небольшим углом скручивания или несовпадением кристаллических решёток. Эти структуры значительно изменяют электронные, механические и оптические свойства 2D-материалов.

Ранее мы идентифицировали новый вид экситона, называемый квадрупольным экситоном (QX), в трёхслойной муаровой сверхрешётке. Мы также обнаружили признаки сильной корреляции между экситонами в муаровом бислое, — объясняет Суфей Ши, старший автор статьи.

Исследователи создали гетероструктуры с двойным затвором из трислойных структур WSe₂/WS₂/WSe₂ с заданным выравниванием. Эта архитектура позволила точно контролировать как вертикальные электрические поля, так и легирование носителей заряда.

С помощью низкотемпературной оптической спектроскопии команда смогла управлять переходами между различными экситонными конфигурациями двумя основными методами: контролем плотности экситонов через мощность возбуждения и управлением плотности электронов в системе.

Как только плотность экситонов достигает двух на муаровый сайт, корреляция между экситонами становится значительной и вызывает переход от QX к DX, где DX представляет собой ступенчатый противоположный дипольный экситон в трёхслойной структуре, — пояснил Ши.

На основе полученных данных исследователи составили подробную фазовую диаграмму, определяющую условия преобладания QX и DX конфигураций. Это дало новое понимание факторов, способствующих возникновению QX в трёхслойных муаровых сверхрешётках на основе 2D-полупроводников.

Открытие открывает новые возможности для манипуляции экситонами в многослойных муаровых сверхрешётках и может привести к созданию новых квантовых оптоэлектронных и фотонных устройств. В ближайшем будущем команда планирует исследовать возникновение QX и DX в других гетероструктурах и patterned substrates.

Источник: Yuze Meng et al, Strong-interaction-driven quadrupolar-to-dipolar exciton transitions in a trilayer moiré superlattice, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01741-x