[論文レビュー] Moiré-localized interlayer exciton wavefunctions captured by imaging its electron and hole constituents

Ouri Karni, Elyse Barré+22 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2021

2D Materials and Applications参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、時間および運動量分解分光法を用いて、WSe2/MoS2ヘテロ構造内のインターレイヤー励起子の電子およびホール波動関数を直接像として得た。その結果、6.1 nmのモアレ単位格子内の1.8 nm領域に局在化する5.4 nmの励起子径が明らかになった。研究結果は、小さなモアレ格子内でインターレイヤー励起子が強く局在化することを示し、量子技術用途に向けた拡張可能な量子もつれ励起子配列の実現が可能であることを示している。

ABSTRACT

Interlayer excitons (ILXs) - electron-hole pairs bound across two atomically thin layered semiconductors - have emerged as attractive platforms to study exciton condensation, single-photon emission and other quantum-information applications. Yet, despite extensive optical spectroscopic investigations, critical information about their size, valley configuration and the influence of the moiré potential remains unknown. Here, we captured images of the time- and momentum-resolved distribution of both the electron and the hole that bind to form the ILX in a WSe2/MoS2 heterostructure. We thereby obtain a direct measurement of the interlayer exciton diameter of ~5.4 nm, comparable to the moiré unit-cell length of 6.1 nm. Surprisingly, this large ILX is well localized within the moiré cell to a region of only 1.8 nm - smaller than the size of the exciton itself. This high degree of localization of the interlayer exciton is backed by Bethe-Salpeter equation calculations and demonstrates that the ILX can be localized within small moiré unit cells. Unlike large moiré cells, these are uniform over large regions, thus allowing the formation of extended arrays of localized excitations for quantum technology.

研究の動機と目的

• 2次元ファンデルワールスヘテロ構造におけるインターレイヤー励起子（ILX）の空間的広がりと局在度を直接測定すること。
• 間接的光学分光法の限界を克服し、ILXを形成する個々の電子およびホール波動関数を解明すること。
• モアレポテンシャルがILXの空間的分布およびサイズに与える影響を特定すること。
• 空間的閉じ込め度を定量的に評価することで、モアレ局在ILXが量子情報技術に与える可能性を検証すること。

提案手法

• WSe2/MoS2ヘテロ構造における電子およびホールの空間的分布をマップするために、時間および運動量分解光励起分光法が用いられた。
• この手法により、インターレイヤー励起子の電子およびホール成分の直接的イメージングが可能となり、束縛状態への寄与が明確に分離された。
• 空間的モodulationを用いた励起および発光パターンの変調により、モアレスーパーラティスポテンシャルがプローブされた。
• 実験的観察の妥当性を検証し、局在化メカニズムを確認するために、Bethe-Salpeter方程式（BSE）計算が実施された。
• 電子およびホール波動関数の分離と重なりを分析することで、励起子の空間的広がりが抽出された。
• 測定された励起子径（約5.4 nm）をモアレ単位格子サイズ（6.1 nm）および局在長さ（1.8 nm）と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WSe2/MoS2ヘテロ構造におけるインターレイヤー励起子の波動関数の大きさはどの程度であり、モアレ単位格子サイズと比較してどうなるか？
• RQ2 インターレイヤー励起子がどの程度単一のモアレ単位格子内に局在化しているか、およびその電子およびホール成分の空間的広がりはどの程度か？
• RQ3 モアレポテンシャルは、インターレイヤー励起子の空間的分布および結合にどのように影響を与えるか？
• RQ4 インターレイヤー励起子をモアレスケール未満の領域に閉じ込めることは可能か？ これにより高精度な量子アレイが実現可能か？
• RQ5 電子-ホール相関が、励起子波動関数の有効なサイズおよび局在度を決定する上で果たす役割は何か？

主な発見

• インターレイヤー励起子の直径は約5.4 nmであり、6.1 nmのモアレ単位格子サイズとほぼ同等である。
• この大きな直径にもかかわらず、励起子はモアレ格子内においてわずか1.8 nmの領域に強く局在化しており、高い空間的閉じ込めが示された。
• 電子およびホール波動関数は空間的に分離しているが、同じモアレポテンシャル井戸内に共局在しており、ホールのほうがわずかに強く局在化している。
• Bethe-Salpeter方程式計算により、観測された局在化がモアレポテンシャルおよび電子-ホール相関効果に起因することが確認された。
• 小さなモアレ格子内での高い局在度は、空間的に分離され、かつ相干渉性を保った励起子の拡張アレイを構築可能であることを示唆している。
• 大きなモアレ格子が強く局在化に必要であるとは限らず、均一でスケーラブルな量子系の実現が可能であることが示された。