Новые ультратонкие наноматериалы обладают замечательными свойствами. Например, если вы сложите отдельные атомарно тонкие слои кристаллов в вертикальную сборку, могут возникнуть удивительные физические эффекты. Например, двойные слои чудо-материала графена, скрученные под магическим углом 1,1 градуса, могут обладать сверхпроводимостью. И исследователи также сосредотачивают свое внимание на двухслойных полупроводниковых гетероструктурах, изготовленных из так называемых дихалькогенидов переходных металлов, которые слабо удерживаются вместе силами ван-дер-Ваальса.

Исследовательская группа, возглавляемая Александром Хегеле, исследует такие новые гетероструктуры, которые не встречаются в природе. "Сочетание материалов, количество слоев и их относительная ориентация приводят к широкому спектру новых явлений", - говорит физик LMU. "В лаборатории мы можем адаптировать физические явления для различных применений в электронике, фотонике или квантовых технологиях со свойствами, которые неизвестны в природных кристаллах". Однако экспериментально наблюдаемые явления не всегда легко интерпретировать, о чем свидетельствует новая статья, опубликованная в журнале Природные нанотехнологии демонстрирует.

Команда Хегеле исследовала гетерослойную систему, удерживаемую вместе силами ван-дер-Ваальса и изготовленную из полупроводниковых монослоев диселенида молибдена (MoSe2) и диселенида вольфрама (WSe2). В зависимости от ориентации отдельных слоев могут возникать муаровые эффекты. Эти эффекты, с которыми мы знакомы из повседневной жизни, также возникают в наномире, когда две разные атомные решетки накладываются друг на друга или две идентичные решетки скручиваются относительно друг друга. Отличие корпуса nano в том, что это не оптический эффект. В квантово-механическом мире атомарно тонких кристаллических гетероструктур муаровая интерференция резко влияет на свойства составной системы, также воздействуя на электроны и сильно связанные электронно-дырочные пары, или экситоны, объясняет Хегеле.

"Наша работа показывает, что наивное представление об идеальном муаровом узоре в гетерослойном MoSe2-WSe2 не обязательно верно, особенно при малых углах поворота. Следовательно, интерпретация феноменологии, наблюдаемой на сегодняшний день, должна быть частично пересмотрена", - говорит Хегеле. Вместо периодических муаровых узоров имеются расширенные по бокам области, свободные от муаровых помех. Более того, существуют зоны с интересными квантовомеханическими эффектами, такими как одномерные квантовые провода или квазинулевые квантовые точки, которые потенциально пригодны для применения в квантовой связи, основанной на пространственно локализованных экситонах с характеристиками однофотонного излучения. В последнем случае идеальные муаровые узоры предположительно трансформируются в периодические узоры с треугольной или шестиугольной плиткой.

Причина, по-видимому, кроется в упругой деформации решетчатой структуры, которая зависит от ориентации слоев. Атомы смещаются из своих равновесных положений, что происходит за счет увеличения деформации в отдельных слоях, но способствует лучшей адгезии между слоями. Результатом является энергетический ландшафт в гетерослойной системе, который может быть спроектирован и потенциально эксплуатироваться с помощью рационального проектирования. "Мы также наблюдаем коллективные явления в синтетических кристаллах, где периодические муаровые узоры оказывают значительное влияние на движение электронов, а также на их взаимные взаимодействия", - говорит Хегеле.

Решающее значение имеет понимание экситонов - электронно-дырочных пар, - которые характерны для различных типов атомных регистров в двухслойных кристаллических гетероструктурах и которые потенциально могут быть использованы в будущих оптоэлектронных приложениях. Эти экситоны генерируются в полупроводниковых дихалькогенидах переходных металлов посредством поглощения света и снова преобразуются обратно в свет. "Таким образом, экситоны действуют как посредники взаимодействия света с веществом в полупроводниковых кристаллах", - говорит Хегеле. Как показано в настоящей работе, различные типы экситонов возникают в зависимости от фактической структуры гетерослойных систем при параллельном или антипараллельном выравнивании. "Мы хотим научиться изготавливать гетероструктуры ван-дер-Ваальса с индивидуальными свойствами в рамках детерминированного подхода для управления богатой возникающей феноменологией коррелированных эффектов, таких как магнетизм или сверхпроводимость".