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Avanços em Excitons Localizados Carregados Usando Ajuste de Estresse

Pesquisas mostram maneiras de controlar excitons localizados carregados com ajuste de tensão em materiais bidimensionais.

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O estudo de materiais bidimensionais tem ganhado bastante atenção, especialmente no campo da ciência e tecnologia quântica. Um aspecto interessante desses materiais é a presença de Emissores de fótons únicos (SPEs), que são pequenas fontes de luz que podem emitir um fóton de cada vez. Os SPEs têm propriedades únicas que podem ser úteis para tecnologias futuras, como computação quântica e comunicação segura.

Para aproveitar esses SPEs na prática, os cientistas estão buscando maneiras de controlá-los de forma dinâmica. Esse controle pode ser alcançado através de campos elétricos e ajuste de tensão. Ajustar a tensão significa mudar a forma ou o tamanho do material para influenciar suas propriedades. Esse método é especialmente interessante para materiais bidimensionais porque pode ajudar a ativar os SPEs ao aprisionar excitons livres, que são pares ligados de elétrons e lacunas.

Enquanto o ajuste de tensão tem sido bem-sucedido para alguns tipos de excitons, houve menos foco em Excitons Localizados carregados, que são diferentes porque exigem controle adicional. Esta pesquisa destaca uma abordagem inovadora para o ajuste de tensão de excitons localizados carregados usando um material piezoelétrico especial como base.

Contexto sobre Ferroeletros Relaxores

Um dos materiais estudados é chamado PMN-PT, um tipo de ferroeletro relaxor (RE-FE). Os ferroeletros relaxores são conhecidos por sua capacidade de produzir sinais elétricos fortes quando deformados, o que é útil para várias aplicações. O PMN-PT tem sido usado para afetar as propriedades de outros materiais, proporcionando uma interface onde a tensão pode ser aplicada de forma eficaz.

O aspecto empolgante de integrar SPEs com PMN-PT é o potencial para desenvolver dispositivos novos, como diodos emissores de luz que funcionam com mecânica quântica. Os excitons localizados em materiais bidimensionais, como WSe, podem ser ativados aprisionando excitons livres com a ajuda de tensão.

Embora a maioria dos estudos tenha se concentrado em excitons localizados neutros, os seus equivalentes carregados são importantes para tecnologias quânticas. Eles não interagem entre si da mesma forma que os excitons neutros, o que os torna valiosos para certas aplicações. No entanto, os mecanismos por trás do funcionamento do PMN-PT ainda não são completamente compreendidos.

Mecanismo de Controle de Carga e Tensão

Neste estudo, os pesquisadores exploraram como controlar excitons localizados carregados colocando uma monocamada de WSe sobre um substrato de PMN-PT. Usando campos elétricos, eles puderam fazer pequenos ajustes nos materiais que afetaram os excitons. Quando um campo elétrico externo é aplicado, ele altera a forma do material, impactando os excitons aprisionados dentro dele.

A chave para essa abordagem está no processo de polarização do substrato de PMN-PT, que organiza os domínios dentro do material para criar uma polarização líquida. Ao aplicar uma voltagem, os pesquisadores puderam introduzir tensão no sistema, expandindo ou contraindo os materiais com base na direção do campo. Essa tensão afeta diretamente como os excitons se comportam.

Ajuste de Tensão de Excitons Localizados Neutros

Inicialmente, os pesquisadores testaram a configuração examinando excitons localizados neutros. Eles descobriram que mudar a tensão de tensão afetava os níveis de energia desses excitons, demonstrando que o ajuste de tensão era eficaz em baixas temperaturas. Os resultados mostraram que os excitons mudaram suas energias com base na voltagem aplicada, confirmando que a configuração estava funcionando.

À medida que a voltagem mudava, os níveis de energia dos excitons também mudavam, indicando uma relação entre a tensão aplicada e a energia do exciton. Os pesquisadores notaram variações nas mudanças de energia que sugeriam que interações locais poderiam estar influenciando esses resultados.

Excitons Localizados Carregados

Em seguida, o foco mudou para excitons localizados carregados. Ajustando a voltagem do portão superior, os pesquisadores puderam introduzir elétrons na camada de WSe, permitindo a formação de trions triplet e singlet. Esses trions são complexos formados por excitons que podem emitir luz com diferentes polarizações.

O comportamento dos excitons localizados carregados era diferente dos neutros. Os pesquisadores observaram que as mudanças de energia ocorreram com a mudança da voltagem, e detectaram a presença de uma histerese pronunciada. Essa histerese indica uma interação forte entre os excitons carregados e os materiais nos quais estavam embutidos.

Ajustando Mudanças de Energia Sob Tensão

Os pesquisadores então examinaram de perto como a tensão afetava as mudanças de energia dos excitons localizados carregados. Eles descobriram que, à medida que a tensão era aplicada, os níveis de energia se deslocavam em direções opostas com base na voltagem do portão. Esse comportamento indicava o controle que a tensão poderia exercer sobre os excitons.

A quantidade de deslocamento observada era significativamente maior para os excitons carregados em comparação com os neutros. Isso sugeriu que as interações entre os excitons carregados e o substrato piezoelétrico eram mais fortes do que os efeitos observados anteriormente para excitons neutros.

Aplicando um Campo Magnético

Para investigar ainda mais os efeitos nos excitons, os pesquisadores aplicaram um campo magnético durante seus experimentos. Esse campo magnético levou a deslocamentos nos níveis de energia dos excitons, revelando camadas adicionais de complexidade em como esses materiais interagem.

Ao examinar como os excitons respondiam ao campo magnético, os pesquisadores ganharam insights sobre a física subjacente. Eles notaram que a razão de intensidade variava com mudanças no campo magnético, mostrando que os excitons se comportavam de forma diferente sob condições distintas.

Interação com Nanodomínios

As observações feitas ao longo desses experimentos levam à conclusão de que a presença de excitons localizados carregados aumenta as interações com os nanodomínios no substrato piezoelétrico. A carga adicional altera como os excitons interagem com o material ao redor, levando a uma histerese maior e deslocamentos de energia mensuráveis.

Essa pesquisa não só ilumina as propriedades dos excitons localizados carregados, mas também abre caminhos para futuras aplicações. Ao entender melhor essas interações, os cientistas podem explorar a integração de materiais bidimensionais com ferroeletros relaxores ainda mais.

Conclusão

Este estudo mostra a promessa de usar o ajuste de tensão para controlar excitons localizados carregados em materiais bidimensionais. A interação entre esses excitons e o substrato piezoelétrico apresenta novas oportunidades para avanços em nanotecnologia e tecnologias quânticas.

Ao entender como manipular esses materiais de forma eficaz, os pesquisadores estão abrindo caminho para novos dispositivos emissores de luz e outras aplicações no campo da ciência quântica. Explorações futuras poderiam envolver examinar como campos elétricos e magnéticos maiores influenciam esses sistemas, o que aprofundaria nossa compreensão e potencialmente levaria a avanços tecnológicos significativos.

À medida que o campo avança, a integração de materiais bidimensionais com ferroeletros relaxores provavelmente terá um papel significativo no desenvolvimento de dispositivos de próxima geração, possibilitando novas funcionalidades baseadas em mecânica quântica.

Fonte original

Título: Enhanced Polarizability and Tunable Diamagnetic Shifts from Charged Localized Emitters in WSe2 on a Relaxor Ferroelectric

Resumo: Strain modulation is a crucial way in engineering nanoscale materials. It is even more important for single photon emitters in layered materials, where strain can create quantum emitters and control their energies. Here we report the localized, charge-enhanced coupling between the charged localized emitters in monolayer tungsten diselenide (WSe2) to the piezoelectric relaxor ferroelectric substrate. In addition to the strain effect, we observe a gigantic polarizability volume with the enhancement factor up to 1010. The enormous polarizability leads to a large Quantum-confined Stark shift under a small variation of electric field, indicating the potential of integrating layered materials with functional substrates for quantum sensing. We further demonstrate the tunable diamagnetic shift and g-factor with strain varying by ~0.05%, which confirms the existence of enhanced interaction between the localized oscillating dipoles and the ferroelectric domains. Our results signify the prospect of charged quantum emitters in layered materials for quantum sciences and technology.

Autores: Qiaohui Zhou, Fei Wang, Ali Soleymani, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jiang Wei, Xin Lu

Última atualização: Dec 27, 2024

Idioma: English

Fonte URL: https://arxiv.org/abs/2409.07687

Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2409.07687

Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

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