Ученые научились управлять потоком экситонов в муаровых сверхрешетках

Исследователи из Университета Карнеги-Меллон, Калифорнийского университета в Риверсайде и других институтов представили новый метод контроля потока энергии в муаровых сверхрешетках — структурах из двух слоев дихалькогенидов переходных металлов, повернутых друг относительно друга.

Диффузия межслойных экситонов в муаровой сверхрешетке WS₂/WSe₂ с регулируемым электростатическим легированием. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65602-5

Экситоны — это связанные пары отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных «дырок», образующиеся в полупроводниках. Ученые смогли управлять их движением, активно настраивая электронные состояния в сверхрешетках.

Автор: Yan et al.

Использование коррелированных электронов

Команда создала сверхрешетки, сложив слои дихалькогенидов под определенным углом, и с помощью оптических методов вызвала образование экситонов между слоями. Меняя плотность электронов в системе (электростатическое легирование), они измеряли, как далеко и быстро распространяются экситоны — параметр, известный как диффузионность.

«Мы контролировали диффузионность экситонов с помощью напряжения на затворе, которое определяет количество электронов в муаровых сверхрешетках», — пояснил старший автор работы Суфей Ши.

Ключевое открытие: когда электроны становились достаточно плотными, чтобы образовать состояние «изолятора Мотта», поток экситонов в системе усиливался до 100 раз. Напротив, диффузионность подавлялась, когда электроны организовывались в жесткую, кристаллоподобную структуру («кристалл Вигнера»).

Перспективы для квантовых устройств и оптоэлектроники

Новый подход открывает путь к созданию устройств, где носителями информации будут экситоны, а не электроны. Ранее этим мешала нейтральность заряда экситонов, из-за которой ими сложно управлять электрическим полем.

«Используя взаимодействие между коррелированными электронами и экситонами, мы добились электрически настраиваемой диффузионности экситонов», — отметил Ши.

В будущем это может привести к разработке новых квантовых и оптоэлектронных устройств на основе муаровых сверхрешеток. Команда планирует исследовать, как электрическое поле и наноразмерная структура устройств могут влиять на диффузию, а также изучать новые коррелированные экситонные состояния.

Больше информации: Li Yan et al, Anomalously enhanced diffusivity of moiré excitons via manipulating the interplay with correlated electrons, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65602-5.