最新研究:被扭转的两层原子形成莫列波纹捕获发光粒子和量子指纹

具有近200年历史的英国高等教育学府——赫瑞-瓦特大学(Heriot-Watt University)的量子光子学实验室,最近发表在《自然-材料》上的一篇最新研究论文指出,捕获了被扭转的两层原子所形成的莫列波纹捕获到发光的层间激子(interlayer excitons,简称:IXs)及其量子指纹。

激子(英语:exciton)描述一对电子与空穴由静电库仑作用相互吸引而构成的束缚态,它可被看作是存在于绝缘体、半导体和某些液体中呈电中性的准粒子。激子是凝聚体物理学中转移能量而不转移电荷的基本单位。

量子指纹(quantum fingerprints),指是一种提出的识别技术,该技术使用量子计算生成具有与密码哈希函数(cryptographic hash function)类似功能的字符串。

该层间激子被两张由不同过渡金属硫族化物(transition metal dichalcogenides,简称:TMD)制成的原子的相互作用所俘获,这些原子以很小的扭曲堆叠在一起形成莫列波纹。

莫列波纹(Moiré pattern),又译为莫尔云纹、摩尔纹、莫尔条纹、叠纹等,指一种在栅栏状条纹重叠下所产生的干涉影像。许多人都知道,只要将两个相似但略有偏移的条纹模板结合在一起,就会出现莫列干涉图样。如图所示平行图样(上)和旋转图样(下)中的莫列波纹。

由布赖恩·杰拉多特(Brian Gerardot)教授领导的量子光子学实验室的研究表明,莫列波纹会影响原子异质结构的关键特性,从而产生一种新的量子材料。如下图所示,两层原子被扭曲形成莫列波纹,如阴影所示,该莫列波纹会捕获发光粒子。

二维(2-D)材料,例如石墨烯或过渡金属硫族化物,可以形成各种异质结构,这些结构通过弱范德瓦尔斯力保持在一起,从而为科学家提供了丰富的手段以用于光电性能的工程实际应用。

范德瓦尔斯力(van der Waals force,简写:vdW),又称分子间作用力,是存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力。这种范德瓦尔斯多层可以形成相邻层中相应原子之间的排列的周期性变化的莫列波纹,方法是将板扭曲相对角度组合成具有不同晶格常数的材料。

此外,过渡金属硫族化物层的2D特性也带来了独特的功能,其中包括称为自旋谷层锁定(spin-valley-layer locking)的现象,这为潜在的与下一代光电器件感兴趣的自旋电子学和低谷电子学领域打开了联系。

低谷电子学,英文:Valleytronics,来自英语Valley(低谷)和Electronics(电子学)的组合,指半导体的一个实验领域,它利用电子能带结构中的称为“低谷”的局部极小值。某些半导体的电子能带结构中具有多个“谷”,被称为多谷半导体。低谷电子学是一种控制局部谷值自由度的技术。

该术语的产生类似于自旋电子学。尽管在自旋电子学中可以利用自旋的内部自由度来存储、操纵和读出信息位,但对于低谷电子学来说,使用带结构的多个极值执行类似的任务,以便将0s和1s信息被存储为不同的晶体动量离散值。低谷电子学可以指代半导体中波谷的其他形式的量子操纵,包括使用基于波谷的量子位进行的量子计算、波谷封锁和其他形式的量子电子学。

杰拉多特教授解释该研究发现的意义时说:“被困在原子莫列波纹中的层间激子,对于基于范德瓦尔斯异质结构的量子材料的设计具有广阔的前景,对其基本性质的研究领域的未来发展至关重要。”

目前学界仍在寻找策略来验证捕获位点的性质并了解样品缺陷的作用,可以采用实验方法的组合来阐明原子重建、应变和其他缺陷的作用,以及相关的光学测量和非侵入性显微镜技术。

该量子光子实验室正在基于扭曲的量子材料设计完全可调谐的电子设备,以充分了解莫尔条纹如何彼此相互作用,以被用于量子光学应用。

范德瓦尔斯异质结构为设计量子材料提供了诱人的机会,过渡金属硫族化物(TMD)具有三个量子自由度:自旋、谷值指数和层指数。此外,扭曲的异质双分子层所形成莫尔条纹可调节电子能带结构,从而导致层间激子的空间受限。这是一个充满机遇的新兴领域,正以惊人的速度发展,有望还将取得许多突破。