Les matériaux bidimensionnels (2D) se sont révélés être une plate-forme prometteuse pour étudier les quasiparticules exotiques, tels que les excitons. Les excitons sont des états liés qui émergent lorsqu'un électron dans un matériau absorbe l'énergie et atteint un niveau d'énergie plus élevé, laissant un trou (c'est-à-dire l'absence d'un électron) sur le site qu'il occupait.
Des chercheurs de l'Université Heriot-Watt et d'autres instituts ont récemment observé deux états d'exciton distincts dans le désélénide de molybdène bicouche (Mose₂) avec une configuration empilée de 2H, ce qui implique l'alignement de deux monocouches avec une symétrie rotationnelle caractéristique. Leur article, publié dans Lettres d'examen physiquerapporte l'observation de l'un de ces états appelés excitons quadrupolaires dans 2H-Mose₂.
« Notre travail a été inspiré par l'effort continu pour explorer et contrôler les phénomènes excitoniques dans les matériaux de semi-conducteurs atomiquement minces, qui sont de riches plateformes pour étudier les états quantiques complexes », a déclaré Mauro Brotons-Gisbert, auteur principal du journal, à Issues.fr. « En particulier, les dichalcogénides de métal de transition bicouche (TMD) comme Mose₂ hébergent naturellement les excitons intercouches avec un caractère dipolaire – des états d'électrons et des trous résidant dans des couches adjacentes. »
Une caractéristique intéressante des excitons intercouches dipolaires est qu'ils peuvent être manipulés à l'aide de champs externes et magnétiques. Les études passées en physique ont prédit et démontré que ces excitons peuvent donner naissance à un large éventail d'états collectifs exotiques.
« Dans cette étude, notre objectif était d'étudier les états d'excitons les moins comprises qui émergent de la forte hybridation des excitons intercouches dipolaires dans la bicouche moseuse naturellement empilée », a déclaré Brian Gerardot, un autre auteur principal de l'article. « Nous étions particulièrement intéressés par le spin, la vallée et la couche de liberté de ces quasiparticules excitoniques et leurs réponses optiques inhabituelles – et cela nous a conduits à l'observation des excitons quadrupolaires. »
Dans le cadre de leur étude récente, Brotons-Gisbert et ses collègues ont spécifiquement étudié un échantillon de bicouche de haute qualité Mose₂, qui a été encapsulé dans du nitrure de bore hexagonal et équipé de doubles portes électriques. Ces portes leur ont permis de contrôler avec précision le champ électrique à travers les couches du matériau.
En utilisant une technique connue sous le nom de spectroscopie de contraste de réflectance résolue par l'hélicité, les chercheurs ont mesuré des changements dans l'absorption optique du matériau qui a eu lieu lorsqu'ils ont appliqué différents champs électriques et magnétiques à leur échantillon. Leurs mesures leur ont finalement permis de découvrir divers états d'excitation intercouches.
« L'un de ces états s'est comporté très différemment: son énergie s'est déplacée quadratique (pas linéairement) avec le champ électrique appliqué et sa réponse optique ne correspondait pas à celle des excitons dipolaires typiques », a expliqué Shun Feng, premier auteur de l'article. « Ce comportement distinct correspondait à notre modèle théorique pour un exciton quadrupolaire, formé par l'hybridation des états d'excitons dipolaires avec des moments dipolaires égaux et opposés. »
Le résultat le plus notable des expériences de l'équipe a été l'identification des excitons quadrupolaires dans 2H-Mose₂ ainsi que leur origine. Une caractéristique clé de ces excitons est que même s'ils n'ont pas de moment dipolaire net, ils répondent toujours aux champs externes et peuvent ainsi être contrôlés expérimentalement.
« Dans une perspective scientifique, cela élargit notre compréhension des interactions excitoniques dans les matériaux 2D, en particulier dans les régimes où l'hybridation et la rupture de la symétrie jouent un rôle clé », a déclaré Feng. « D'un point de vue pratique, les excitons quadrupolaires pourraient offrir de nouvelles façons de simuler des systèmes quantiques complexes en utilisant des interactions excitones conçues. »
Les travaux récents de ce groupe de recherche fournissent des preuves directes que les excitons quadrupolaires existent dans le Mose de bicouche naturellement empilé, démontrant que ces excitons peuvent être réglés à l'aide de champs électriques. À l'avenir, il pourrait ouvrir la voie à des explorations plus profondes d'interactions à plusieurs corps dans les matériaux 2D, tout en informant potentiellement le développement futur de l'optoélectronique et des technologies quantiques basées sur la bicouche Mose₂.
« Nous prévoyons de s'appuyer sur nos résultats actuels en explorant davantage les complexes d'excitons dans les TMD bicouches, en particulier leur potentiel de simulation de phénomènes quantiques à plusieurs corps », a ajouté Brotons-Gisbert. « L'un de nos objectifs clés est de comprendre comment contrôler et régler ces complexes à l'aide de champs externes, de déformation ou de configurations d'empilement.
