Экситоны в муаровых сверхрешетках: новые свойства, неожиданные перспективы

Ученые из МФТИ, Института теоретической физики имени Ландау РАН и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН провели теоретическое исследование диффузии экситонов в муаровых сверхрешетках, сформированных из монослоев дихалькогенидов переходных металлов. Работа опубликована в журнале Physical Review B и частично поддержана Российским научным фондом (проект № 23-12-00142).
С момента открытия экситонов — связанных состояний электрона и дырки — ученые активно изучают их поведение в различных физических условиях. Особенно интересными в этом контексте стали гетероструктуры из ван-дер-ваальсовых материалов. В таких системах отсутствуют прочные химические связи между слоями, что позволяет реализовать уникальные эффекты, включая муаровые узоры и хиральность. Несмотря на растущий интерес к этим структурам, транспортные свойства экситонов в муаровых сверхрешетках оставались слабо изученными.

До последнего времени считалось, что экситоны в таких решетках локализованы в потенциальных ямах, возникающих вследствие муарового эффекта, и практически не могут перемещаться между ними. Это существенно ограничивало возможности их практического применения, в частности — в оптоэлектронике.
Новое исследование опровергает это представление. Авторы показали, что экситоны могут эффективно делокализоваться и распространяться по муаровой структуре за счет взаимодействия с электромагнитным полем. Это открывает путь к изучению новых фундаментальных эффектов и созданию перспективных оптоэлектронных устройств.

Передача энергии на расстоянии: как экситоны «общаются»
Ключевую роль в механизме распространения экситонов играет диполь-дипольное взаимодействие. Когда экситон, локализованный на одном из узлов муаровой решетки, излучает электромагнитное поле, оно может возбуждать экситон на другом узле. Этот процесс аналогичен механизму переноса энергии Ферстера, известному в физике флуоресценции.
Исследователи разработали микроскопическую модель, описывающую это явление. Сначала они рассчитали энергетический спектр и собственные моды системы, а затем проанализировали поведение экситонов в полуклассическом и так называемом «прыжковом» режимах. Полученные результаты демонстрируют, что даже при наличии значительных потенциальных барьеров (до 100 мэВ) и при отсутствии туннелирования, экситоны могут эффективно распространяться благодаря электромагнитному взаимодействию.

Одним из главных открытий стало формирование экситонной ветви с линейной дисперсией по волновому вектору. Это существенно отличается от традиционной картины поведения локализованных экситонов. Кроме того, температурная зависимость коэффициента диффузии экситонов подчиняется степенному закону, что указывает на наличие ранее не учитываемых механизмов переноса.

Александр Шенцев, студент 5 курса МФТИ и один из авторов исследования, поясняет:
«Мы рассмотрели влияние индуцированного электромагнитного поля на экситоны и построили модель, описывающую их полуклассическую диффузию с учетом рассеяния на фононах и статических дефектах. Расчеты показали, что экситоны в муаровых сверхрешетках демонстрируют линейную дисперсию даже в отсутствие туннелирования. Это связано с виртуальными процессами генерации и рекомбинации экситонов в местах их локализации. Кроме того, мы обнаружили степенную температурную зависимость коэффициента диффузии даже в прыжковом режиме. Это делает систему крайне интересной как с теоретической, так и с прикладной точки зрения».

Перспективы: от лазеров до квантовых компьютеров
Изучение экситонов в муаровых сверхрешетках открывает новые возможности для создания оптоэлектронных устройств следующего поколения. Понимание механизмов их переноса и управление подвижностью экситонов может лечь в основу новых технологий — от высокоэффективных солнечных элементов и лазеров до фотонных чипов и квантовых вычислительных систем.
Муаровые структуры, способные усиливать или модифицировать экситонные взаимодействия, могут стать платформой для инженерии новых материалов с заданными свойствами. Это позволит по-новому управлять переносом энергии и создавать устройства на наноуровне, в которых потоки экситонов станут такими же контролируемыми, как электроны в традиционной электронике.

Источник: Экситоны в полупроводниках удивили ученых своими свойствами — За науку