Los superlattice moiré son patrones periódicos que se forman cuando se apilan dos o más capas delgadas de semiconductores con un pequeño ángulo de giro o desajuste de red. Cuando estos materiales bidimensionales generan dichos patrones, sus propiedades electrónicas, mecánicas y ópticas pueden experimentar cambios significativos. En las últimas décadas, los superlattice moiré han emergido como una plataforma prometedora para estudiar estados físicos poco convencionales y desconocidos, así como para la observación de configuraciones excitónicas únicas, es decir, arreglos de pares de electrones y huecos vinculados.
Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, bajo la dirección de Sufei Shi y en colaboración con científicos del Instituto Politécnico Rensselaer y la Universidad Estatal de Arizona, han identificado un enfoque innovador para controlar los estados excitónicos en un semiconductor de grosor atómico. Este enfoque, presentado en un artículo publicado en Nature Photonics, permite inducir y estabilizar transiciones entre excitones cuadrupolares y dipolares, dos configuraciones recientemente descubiertas, en un superlattice moiré de tres capas.
Control de excitones en superlattice moiré
El equipo de investigación creó heteroestructuras de doble compuerta que consisten en trilayers de WSe2/WS2/WSe2 con una alineación intencionada. Esta arquitectura permitió a los científicos controlar con precisión tanto los campos eléctricos verticales en las estructuras como la dopación de portadores de carga. Utilizando la espectroscopía óptica a baja temperatura, los investigadores exploraron los estados excitónicos en los dispositivos que generaron, empleando dos métodos principales para inducir transiciones entre diversas configuraciones de excitones.
Shi explicó que primero controlaron la densidad de excitones mediante la potencia de excitación. Una vez que la densidad de excitones alcanzó dos por sitio moiré, la correlación entre excitones se vuelve significativa, impulsando la transición de cuadrupolar a dipolar excitón. Además, pudieron manipular la densidad de electrones en el sistema, aprovechando las fuertes interacciones entre electrones y excitones.
Los datos recopilados permitieron a los investigadores elaborar un diagrama de fase detallado que delimita las condiciones bajo las cuales prevalecen las configuraciones de excitones cuadrupolares y dipolares en la estructura trilayer. Este avance ofrece una visión interesante sobre los factores que contribuyen a la aparición de excitones cuadrupolares en superlattice moiré basados en semiconductores bidimensionales.
Shi destacó que la correlación juega un papel fundamental en la formación del comportamiento de los excitones cuadrupolares, confirmando así a los superlattice trilayer moiré como plataformas fructíferas para el estudio de la física correlacionada. Este campo no proporciona una solución analítica, pero a menudo resulta en propiedades exóticas deseadas, como la superfluididad, donde las quasipartículas pueden desplazarse con un consumo mínimo de energía. Esto podría facilitar la construcción de una nueva fase cuántica utilizando excitones cuadrupolares.
El trabajo reciente de Shi y su equipo abre nuevas posibilidades para la manipulación de excitones en superlattice moiré multicapa. En el futuro, este nuevo enfoque podría permitir la realización de estados de física cuántica y correlacionada emergentes a partir de configuraciones específicas de excitones. Además, este estudio podría allanar el camino hacia el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos y fotónicos cuánticos. El equipo planea continuar investigando la aparición de excitones cuadrupolares y dipolares en otras heteroestructuras y sustratos estructurados.
En la próxima fase de investigación, se explorarán fenómenos de física correlacionada en este sistema, como un aislante de Mott excitónico o un condensado de Bose-Einstein (BEC).
