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Percée en physique : des scientifiques découvrent les excitons moirés de Rydberg

A Cartoon Showing the Rydberg Moiré Excitons in the WSe2TBG Heterostructure

Un dessin animé montrant les excitons moirés de Rydberg dans l’hétérostructure WSe2/TBG. Crédit : IOP

L’état de Rydberg est répandu dans divers milieux physiques tels que les atomes, les molécules et les matériaux solides. Les excitons de Rydberg, qui sont des états de paires électron-trou liés à Coulomb hautement excités, ont été initialement identifiés dans les années 1950 dans le matériau semi-conducteur Cu2O.

Dans une étude publiée dans Sciencele Dr Xu Yang et ses collègues de l’Institut de physique (IOP) de l’Académie chinoise des sciences (CAS), en collaboration avec des chercheurs dirigés par le Dr Yuan Shengjun de l’Université de Wuhan, ont rapporté avoir observé des excitons moirés de Rydberg, qui sont moirés excitons de Rydberg piégés dans le semi-conducteur monocouche WSe2 adjacent à la bicouche torsadée à petit angle graphène (TBG).

La nature à l’état solide des excitons de Rydberg, combinée à leurs grands moments dipolaires, leurs fortes interactions mutuelles et leurs interactions grandement améliorées avec l’environnement, est prometteuse pour un large éventail d’applications dans la détection, l’optique quantique et la simulation quantique. Cependant, les chercheurs n’ont pas pleinement exploité le potentiel des excitons de Rydberg. L’un des principaux obstacles réside dans la difficulté de piéger et de manipuler efficacement les excitons de Rydberg. La montée en puissance des super-réseaux de moiré bidimensionnels (2D) avec des potentiels périodiques hautement accordables offre une voie à suivre possible.

Preuve spectroscopique de la formation Rydberg Moiré Exciton

Preuve spectroscopique de la formation d’excitons moirés de Rydberg dans WSe2 adjacent à 0,6 ° TBG et calculs numériques de la distribution de charge spatiale dans TBG à différents niveaux de dopage. Crédit IOP

Ces dernières années, le Dr Xu Yang et ses collaborateurs ont travaillé sur l’exploration de l’application des excitons de Rydberg dans les dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs 2D (tels que WSe2). Ils ont développé une nouvelle technique de détection de Rydberg qui exploite la sensibilité des excitons de Rydberg à l’environnement diélectrique pour détecter les phases exotiques dans un système électronique 2D proche.

Dans cette étude, en utilisant des mesures de spectroscopie optique à basse température, les chercheurs ont d’abord trouvé les excitons moirés de Rydberg se manifestant par de multiples fractionnements d’énergie, un décalage vers le rouge prononcé et une largeur de raie rétrécie dans les spectres de réflectance.

À l’aide de calculs numériques effectués par le groupe de l’Université de Wuhan, les chercheurs ont attribué ces observations à la distribution de charge variant dans l’espace dans le TBG, qui crée un paysage de potentiel périodique (appelé potentiel de moiré) pour interagir avec les excitons de Rydberg.

Dépendances de l'angle de torsion et passage au régime de couplage fort

Dépendances de l’angle de torsion et passage au régime de couplage fort. Crédit : IOP

Le fort confinement des excitons de Rydberg est obtenu par les interactions intercouches largement inégales de l’électron et du trou constitutifs d’un exciton de Rydberg en raison des charges spatialement accumulées centrées dans les régions empilées AA de TBG. Les excitons moirés de Rydberg réalisent ainsi une séparation électron-trou et présentent le caractère d’excitons à transfert de charge à longue durée de vie.

Les chercheurs ont démontré une nouvelle méthode de manipulation des excitons de Rydberg, difficile à réaliser en masse semi-conducteurs. Le super-réseau de moiré à longue longueur d’onde (dizaines de nm) dans cette étude sert d’analogue aux réseaux optiques créés par un faisceau laser à onde stationnaire ou des réseaux de pincettes optiques qui sont utilisés pour Rydberg atome piégeage.

De plus, des longueurs d’onde de moiré accordables, un déclenchement électrostatique in situ et une durée de vie plus longue garantissent une grande contrôlabilité du système, avec une forte interaction lumière-matière pour une excitation et une lecture optiques pratiques.

Cette étude peut offrir de nouvelles opportunités pour réaliser la prochaine étape des interactions Rydberg-Rydberg et du contrôle cohérent des états de Rydberg, avec des applications potentielles dans le traitement de l’information quantique et le calcul quantique.

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