Физики обнаружили гибридизацию межслойных экситонов в двумерном полупроводнике

Справа: схема устройства, освещаемого белым светом для изучения когерентных свойств межслойных экситонов. Слева: при легировании образца исходный одиночный пик в отражательной способности демонстрирует аномальную форму, называемую стохастическим антипересечением. Автор: Liu et al.

Исследователи из Гарвардского университета обнаружили необычную гибридизацию между межслойными экситонами в двумерном полупроводнике, состоящем из двух слоев дисульфида молибдена (MoS₂). Их работа, опубликованная в Nature Physics, может предоставить косвенные экспериментальные доказательства существования многокомпонентного квантового состояния, которое долгое время предсказывалось теоретически, но не наблюдалось экспериментально.

Межслойные экситоны в двуслойных структурах обладают большим дипольным моментом, что делает их высокочувствительными к внешним электрическим полям. Как объясняет соавтор исследования Павел Долгирев:

«Особенно интригующая идея заключается в том, что равновесная суперпозиция таких противоположных диполей образует состояние, которое больше не взаимодействует с электрическими полями».

В экспериментах ученые использовали оптическую технику: освещали образец двумерного MoS₂ широкополосным белым светом и измеряли отраженный сигнал, одновременно регулируя плотность электронов с помощью напряжения на затворе. Соавтор Надин Лейсганг отмечает:

«Этот оптический подход особенно мощный: он позволяет нам избирательно исследовать определенные спиновые и долинные состояния через хорошо определенные оптические переходы».

Наблюдения показали, что обычно несвязанные межслойные экситоны гибридизируются после легирования образца — два экситонных состояния «смешиваются», создавая новые общие состояния. Обнаруженная гибридизация необычна и открывает новые возможности для косвенного электронного управления когерентностью между экситонами.

Ученые также обнаружили косвенные признаки когерентности межслойных электронов при температурах до 75 K, что указывает на возможность сверхтекучеподобного поведения при относительно высоких температурах. Эта гибридизация может быть предшественником экситонной конденсации — коллективного квантового состояния, теоретически предсказанного десятилетия назад.

В дальнейшем исследователи планируют изучить возможность аналогичной гибридизации в трехслойных материалах и исследовать, можно ли эту гибридизацию сделать полностью когерентной путем скручивания слоев относительно друг друга.

Источник: Xiaoling Liu et al, Optical signatures of interlayer electron coherence in a bilayer semiconductor, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02971-0