Эксперименты с двумерными материалами (толщина которых не превышает нескольких атомов) ведутся давно. Открытые в них свойства, в частности, сверхпроводимость в двухслойном графене или двумерные экситонные возбуждения в дихалькогенидах переходных металлов, могут лечь в основу новых технологий оптоэлектронных устройств, а в потенциале — и в основу квантовых технологий. Экситоны — квазичастицы, которые состоят из электрона и «дырки», вокруг которой он крутится. Эти экситоны генерируются в полупроводниках за счет поглощения света и снова преобразуются в свет.
Проблема, из-за которой двумерные структуры пока что не удалось сделать основой для электронных устройств и квантовых технологиях, заключается в том, что их сложно создавать даже в лабораторных условиях. Экситоны очень чувствительны к дефектам, а сделать идеальную структуру при существующих подходах невозможно.
В последнее время ученые стали активно изучать так называемый муаровый эффект в гетероструктурах. Он основан на совмещении двух слоев с разным химическим составом. При наложении слоев под разными углами получается особый узор — сетка, похожая на переплетение нитей в тюлевых тканях. На этих «нитях» и проявляются экситоны.
Характеристики HBL MoSe2-WSe2 при H- и R-типе стэкинга. Изображение: статья из журнала Nature Nanotechnology / Nature Nanotechnology
Коллектив ученых Мюнхенского университета совместно с учеными центра «Информационные оптические технологии» ИТМО подробно изучили муаровую структуру из двух слоев дихалькогенидов молибдена и вольфрама. Сама структура была получена не путем расслоения объемного кристалла, а выращена с помощью техники xимического осаждения из газовой фазы. Это позволило получить образец изначально в нужной конфигурации. Всего исследователи рассмотрели 10 образцов с различными паттернами и остановились на том варианте, где возможно было посмотреть одновременно на две возможные упаковки, с разной симметрией экситонных состояний:
«Главный результат нашего исследования в том, что мы смогли посмотреть не на локальные эффекты, а на всю картину целиком — на примере образца, в котором удалось получить сразу два варианта решеток. Решетка образца состоит из соориентированных треугольничков (под углами в 0 и 60 градусов), в каждом из которых экситонное состояние — своё. То есть фактически мы смогли одновременно посмотреть на два варианта структур и, главное, сравнить их между собой», — комментирует один из авторов работы, выпускник центра «Информационные оптические технологии» ИТМО, а сейчас сотрудник Мюнхенского университета Анвар Баймуратов.
Анвар Баймуратов. Фото из личного архива
Ученый отмечает, что получить идеальную структуру с абсолютно периодическим паттерном невозможно, но коллективу удалось создать образец, в котором зоны экситонного возбуждения повторяются с некоторой периодичностью. В этих зонах и концентрируются экситоны — визуально они выглядят как нити, а ученые называют их «квантовыми проводами».
Теперь перед учеными стоит задача научиться контролировать ландшафт с квантовыми проводами, чтобы электроны могли передвигаться строго по ним. Это станет большим шагом к созданию микросхем и оптоэлектронных устройств нового типа, в которых все вычисления, а также хранение и передача данных будут реализованы за счет экситонов.
Такие устройства отличаются гораздо более высокой скоростью передачи информации, большим объемом памяти и меньшим размером. А учитывая, что такая муаровая структура способна масштабироваться без серьезных потерь свойств, она может лечь и в основу квантового компьютера.
Статья: Shen Zhao, Zhijie Li, Xin Huang, Anna Rupp, Jonas Göser, Ilia A. Vovk, Stanislav Yu. Kruchinin, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ismail Bilgin, Anvar S. Baimuratov & Alexander Högele, Excitons in mesoscopically reconstructed moiré heterostructures. Nature Nanotechnology, 2023.
