研究背景
鑒于過渡金屬二硫化物（TMD）異質(zhì)結(jié)的發(fā)展，特別是由原子薄層構(gòu)成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的崛起，科學(xué)家開始關(guān)注空間間接激子（IX），即層間激子的特性和潛力。IX是由電子和空穴在不同層之間形成的束縛態(tài)，由于它能夠在長距離上傳輸?shù)奶匦裕蛊涑蔀閷崿F(xiàn)量子激子系統(tǒng)和長程激子輸運的理想候選。然而，IX在現(xiàn)有材料中的實現(xiàn)和特性仍然面臨一些挑戰(zhàn)和問題。
在傳統(tǒng)的III-V族和II-VI族半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，IX的壽命受限于其相對較低的結(jié)合能，通常不超過幾十meV，限制了其在高溫條件下的應(yīng)用。此外，對于IX在復(fù)雜的moire超晶格中的行為和相互作用的理解仍不充分，這些超晶格通過原子重構(gòu)和局部失配引入了額外的復(fù)雜性。因此，研究人員面臨著探索高結(jié)合能IX在TMD異質(zhì)結(jié)中的潛力以及解決材料和結(jié)構(gòu)中存在的有序性和無序性的挑戰(zhàn)。
為了解決這些問題，美國加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校（University of California，San Diego）L. V. Butov教授團隊在MoSe2/WSe2異質(zhì)結(jié)中進行了深入的研究。MoSe2和WSe2分別作為電子和空穴的層進行堆疊，并通過hBN層封裝。這種層疊結(jié)構(gòu)不僅保持了單層TMD的優(yōu)異特性，還通過范德瓦爾斯堆疊引入了新的IX形成機制和特性。與此前的研究不同，本研究不需要施加外加電壓或其他干預(yù)手段，而是通過光激發(fā)并測量激子發(fā)光強度的傳播來評估IX的傳輸性質(zhì)。
通過這項研究，研究團隊展示了在MoSe2/WSe2異質(zhì)結(jié)中IX的長程傳輸，其1/e衰減距離超過了100微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)III-V族半導(dǎo)體中的表現(xiàn)。這種長程傳輸特性在低溫下表現(xiàn)出色，但在高溫（約10K以上）下消失，這提供了對IX量子簡并和相變的深入理解。
此外，研究還觀察到IX傳輸在密度增加時的非單調(diào)依賴，這與Bose–Hubbard理論在moire超晶格中的預(yù)測相吻合，展示了IX在強相互作用條件下的行為。以上成果在“Nature Photonics”期刊上發(fā)表了題為“Transport and localization of indirect excitons in a van der Waals heterostructure”的最新論文。
科學(xué)亮點
1）實驗首次在MoSe2/WSe2異質(zhì)結(jié)中觀察到IX的長程傳輸現(xiàn)象。通過光致發(fā)光強度的傳播分析，研究團隊測量并確定IX的1/e衰減距離達(dá)到并超過100微米，這表明異質(zhì)結(jié)中IX能夠在非常長的距離上保持較高的傳輸效率和壽命。
2）隨著溫度升高至約10K以上，實驗觀察到IX的長程傳輸現(xiàn)象逐漸消失。這一結(jié)果揭示了溫度對IX傳輸性質(zhì)的顯著影響，為理解和控制IX在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和性能提供了重要線索。
3）隨著IX密度的增加，研究團隊觀察到IX定位、長程傳輸和再定位的序列現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了IX在復(fù)雜環(huán)境中的動態(tài)行為，還為理解并控制量子粒子在非均勻勢能下的行為提供了實驗驗證。
圖文解讀
圖1：通過與直接激子direct excitons，DXS共振的光學(xué)激發(fā)，實現(xiàn)了長程間接激子indirect excitons，IX傳輸。
圖2.間接激子IX輸運的激發(fā)功率和溫度依賴性。
圖3. 間接激子IX輸運的激發(fā)功率和溫度依賴性。
圖 4：在共振和非共振激發(fā)下，間接激子IX輸運隨密度的變化。
科學(xué)啟迪
本文的研究為理解和利用過渡金屬二硫化物（TMD）異質(zhì)結(jié)中空間間接激子（IX）的特性提供了重要的意義。首先，通過在MoSe2/WSe2異質(zhì)結(jié)中觀察到IX的長程傳輸，我們不僅證實了這些異質(zhì)結(jié)在IX研究中的潛力，還展示了IX在高度周期性moire超晶格勢能中的行為。這為在量子信息處理和量子計算中利用IX的長壽命和長程傳輸提供了實驗支持和新思路。
其次，本文發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，IX的長程傳輸逐漸消失。這一發(fā)現(xiàn)提示了溫度對IX傳輸特性的重要影響，為進一步研究IX在高溫條件下的穩(wěn)定性和控制提供了方向。這對于設(shè)計和優(yōu)化IX相關(guān)的新型量子材料系統(tǒng)具有重要意義，尤其是在實現(xiàn)高溫量子簡并態(tài)方面。
此外，實驗中觀察到的IX在不同密度下的定位、長程傳輸和再定位現(xiàn)象，與Bose–Hubbard理論在moire超晶格中的預(yù)測相吻合。這為研究moire超晶格勢能對IX行為的影響提供了實驗驗證，推動了在這一領(lǐng)域的理論和實驗研究的進展。
原文詳情：
Fowler-Gerace, L.H., Zhou, Z., Szwed, E.A. et al. Transport and localization of indirect excitons in a van der Waals heterostructure. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01435-w
