La formación de un estado aislante excitónico de Mott en una superred de muaré.

Cuando un electrón cargado negativamente y un hueco cargado positivamente en un par permanecen juntos después de la excitación por la luz, producen estados conocidos como excitones. Estos estados pueden influir en las propiedades ópticas de los materiales, permitiendo su uso en el desarrollo de diversas tecnologías.

Un equipo de investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer, el Imperial College de Londres, la Universidad de California Riverside, la Universidad Carnegie Mellon y otros institutos de todo el mundo han estado estudiando la formación de excitones durante años, al mismo tiempo que intentan identificar nuevos materiales prometedores para aplicaciones optoelectrónicas.

En un artículo publicado en Física de la naturalezapresentan evidencia del llamado estado aislante excitónico de Mott en un WSe_dos/WS_dos superred basada en muaré (es decir, un patrón de interferencia periódica resultante de la superposición de dos capas atómicas con una periodicidad ligeramente diferente).

«En nuestro trabajo anterior, demostramos que la interacción electrónica y la correlación electrónica son fuertes en este WSe_dos/WS_dos superred de muaré», dijo a Phys.org Sufei Shi, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio.

«Sospechamos que la interacción excitón-electrón y excitón-excitón también es fuerte. Potencialmente podemos utilizar esta fuerte correlación de excitones para realizar nuevos estados cuánticos de los excitones, que son bosones y serían diferentes de los fermiones (electrones)».

Shi y sus colegas han estado estudiando superredes muaré durante algún tiempo, debido a su estructura única que las hace deseables para manipular excitones. Estas estructuras están compuestas por dos o más cristales atómicamente delgados apilados uno encima del otro pero en un ángulo característicamente torcido, produciendo lo que se conoce como «desajuste de red».

En su investigación anterior, los investigadores demostraron que la interacción entre electrones era particularmente fuerte en una superred muaré basada en WSe._dos y W.S._dos cristales. En su nuevo artículo, se propusieron observar más de cerca esta misma estructura y explorar su potencial como plataforma para realizar estados de excitones cuánticos.

«En nuestro experimento, utilizamos principalmente técnicas de espectroscopia óptica, en particular espectroscopia de fotoluminiscencia (PL)», explicó Shi. «La energía del fotón emitida por el excitón entre capas como una función del dopaje (electrones o huecos agregados a la superred de muaré) y el poder de excitación (que controla el número de densidad promedio de excitón) revela la fuerte repulsión electrón-excitón y la repulsión excitón-excitón. »

Los experimentos llevados a cabo por Shi y sus colegas han reunido evidencia de que en WSe surge un estado aislante de Mott impulsado por excitones._dos/WS_dos estructura, específicamente cuando un excitón de capa intermedia ocupa una celda en una celda de superred muaré. Este estado podría tener implicaciones interesantes para el estudio y desarrollo de sistemas cuánticos.

«El logro más notable de nuestro estudio es la formación de un estado aislante excitónico de Mott, que es una predicción del modelo bosónico de Hubbard», dijo Shi. «Esto muestra que la correlación de excitones es realmente fuerte en la superred muaré, y podemos usar esto para construir estados cuánticos que surgen del hamiltoniano de muchos cuerpos de los bosones».

El estudio reciente de este equipo de investigadores valida aún más hallazgos anteriores, destacando el potencial de esta WS._dos/WSe_dos superred muaré para estudiar y diseñar nuevos estados correlacionados. El aislante excitónico de Mott revelado podría reproducirse y examinarse en futuras investigaciones, al tiempo que servirá de base para otros trabajos que utilicen la misma plataforma experimental.

«En nuestros próximos estudios, queremos explorar el espín del valle, un nuevo grado cuántico de libertad, de este estado aislante excitónico de Mott», añadió Shi. «También queremos utilizar nuestros nuevos conocimientos para construir un nuevo estado cuántico y realizar simulaciones cuánticas basadas en excitones o mezclas de excitones y electrones».