|
В муаровых узорах обнаружена новая квазичастица
|
|
|
|
Если вы поместите одну проволочную сетку поверх другой и посмотрите сквозь нее, вы увидите более крупный узор, называемый муаровым узором, образованный перекрывающимися сетками двух сеток, который зависит от их относительного угла закручивания. Ученые, разрабатывающие новые материалы, активно изучают муаровые узоры в перекрывающихся атомарно тонких материалах — они вызывают интригующие электронные явления, в том числе нетрадиционную сверхпроводимость и ферромагнетизм. Моделирование на суперкомпьютере помогло ученым обнаружить в двухслойной муаровой системе новый вид электронного явления, называемого экситоном, который представляет собой электрически нейтральную квазичастицу, но которая может переносить энергию и состоит из электрона и электронной «дырки», которые могут быть созданы для Например, при попадании света на некоторые полупроводники и другие материалы.
|
|
|
|
Недавно открытые экситоны были созданы муаровыми узорами из двумерных листов экзотических полупроводников, называемых дихалькогенидами переходных металлов, с электроном, связанным с дыркой, но отделенными друг от друга характерным расстоянием в листе. Это было названо внутрислойным экситоном с переносом заряда и стало неожиданностью для ученых, поскольку такие экситоны не существуют в отдельных листах. Исследование может быть использовано при разработке новых оптических датчиков и коммуникационных технологий, таких как оптические волокна и лазеры. «В этой работе мы обнаружили новый экситон с непредвиденными внутрислойными характеристиками переноса заряда в муаровой сверхрешетке, образованной двумя атомарно тонкими слоями дихалькогенидов переходных металлов», — сказал Стивен Дж. Луи, выдающийся профессор физики Калифорнийского университета. Беркли (Калифорнийский университет в Беркли) и старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL).
|
|
|
Луи является соответствующим автором исследования, опубликованного в августе 2022 года в журнале Nature. В нем ученые разработали компьютерные модели, выходящие за рамки обычных параметризованных моделей, которые использовались для описания муаровых систем и муаровых экситонов. Вместо этого они выполнили расчеты ab initio, которые начинаются только с идентичности и начального положения 3903 атомов элементарной ячейки муаровой сверхрешетки. «Это мощный метод точного предсказания свойств материала, — добавил Луи, — потому что здесь не требуется эмпирическая подгонка».
|
|
|
|
В частности, для расчета экситонных состояний и оптических свойств муаровых систем они использовали современный подход GW плюс уравнение Бете-Солпитера (GW-BSE), который считается одним из наиболее точных подходов к предсказанию оптические свойства материалов. Более того, Луи и его коллеги использовали свои расчеты для предсказания различных электронных и оптических откликов экситонов в системе. Они работали с коллегами-экспериментаторами Эммой С. Риган, Цзочэн Чжан и профессором Фэн Ван из Калифорнийского университета в Беркли. Короче говоря, Ван и его коллеги освещали материал, а затем анализировали отраженный свет, чтобы увидеть, как система реагирует на падающие фотоны в различных условиях.
|
|
|
|
Конечно же, они подтвердили теоретические предсказания, обнаружив в своих измерениях отчетливые признаки внутрислойного экситона с переносом заряда. «Метод GW-BSE очень точен, но он также очень сложен в вычислительном отношении», — сказал соавтор исследования Мит Найк, исследователь с докторской степенью, работающий с профессором Луи в Калифорнийском университете в Беркли и LBNL. Проблема моделирования экситона заключается в том, что он требует решения сложных шестимерных интегралов много раз, а интегралы в муаровой сверхрешетке массивны из-за большого размера элементарной ячейки муара, состоящей из множества элементарных ячеек отдельных слоев. 25x25 для одного слоя и 26x26 для другого.
|
|
|
|
Типичные расчеты GW-BSE выполняются для систем, содержащих до сотни атомов в элементарной ячейке. Здесь авторам понадобились расчеты для целых 3903 атомов. «Изначально это казалось почти невозможным, — сказал Наик. Неустрашимые ученые придумали новый метод, который в миллион раз сократил вычислительные затраты без потери точности. «Мы нашли способ аппроксимировать интеграл из двух тысяч атомов каждого слоя как сумму многих интегралов из трех атомов, что было намного проще вычислить в вычислительном отношении», — сказал Найк. Разработанный ими теоретический метод, называемый методом матричной проекции исходной элементарной ячейки (PUMP), может быть обобщен для изучения других систем материалов, таких как межслойные или гибридные муаровые экситоны в многослойных муаровых сверхрешетках, мелкие дефекты в материалах и многое другое.
|
|
|
|
Техасский передовой вычислительный центр (TACC) поддержал исследование первых принципов Стивена Луи в области передовых материалов, выделив большие ресурсы на суперкомпьютер TACC Frontera. Он также получил ассигнования на суперкомпьютер TACC Stampede2, сделанные через Передовую экосистему координации киберинфраструктуры: услуги и поддержку (ACCESS), ранее называвшуюся Среда экстремальных наук и инженерных открытий (XSEDE). Стремясь увеличить количество атомов в своих расчетах, исследователи изначально столкнулись с некоторыми проблемами при выполнении некоторых крупномасштабных расчетов муара на Фронтере.
|
|
|
|
«Мы получили поддержку от научных сотрудников TACC, которые помогли нам решить эти проблемы», — вспоминает Найк. Например, они не смогли выполнить крупномасштабное моделирование свойств основного состояния на Frontera с использованием стандартного пакета теории функционала плотности (DFT) под названием Quantum Espresso из-за нестабильности, создаваемой новой версией компилятора Intel, используемого для пакет ДПФ. Консультативная группа TACC нашла способ обойти проблему, установив более старую, более стабильную версию компилятора. «Это позволило нам рассчитать электронную структуру сверхрешетки муара WSe2, которая использовалась в этой работе», — сказал Найк. «Оборудование Frontera и Stampede2 эффективно отвечало нашим требованиям, обеспечивая современное межузловое подключение и достаточный объем памяти на каждом узле», — добавил Найк.
|
|
|
|
«Экситон с переносом заряда внутри слоя, который мы обнаружили благодаря этому искусственному наложению двух монослоев, выявил необычайно сильное взаимодействие атомной структуры и типа экситона, возможного в муаровых системах», — сказал Луи. «Это важный шаг в развитии разработки материалов с желаемыми свойствами». Это связано с тем, что когда свет создает экситоны с переносом заряда, их легче исказить или диссоциировать под действием внешнего поля или других возмущений, чем стандартные экситоны типа Ванье. Эти соображения важны во многих основных явлениях и потенциальных приложениях, таких как новые оптические датчики и наноустройства с электрооптической модуляцией. «Это то, над чем мы сейчас работаем с нашими коллегами-экспериментаторами», — сказал Луи.
|
|
|
|
«Экситонные свойства материалов лежат в основе многих оптических и оптоэлектронных устройств и датчиков, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни», — сказал соавтор исследования Фелипе Хорнада, доцент кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета. и главный исследователь Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Он привел пример OLED-телевизоров и дисплеев, в которых используется световое излучение от рекомбинации экситонов в органических полупроводниках. Кроме того, в новых умных часах используются передовые оптические датчики для контроля уровня кислорода в крови владельца. «Помимо существующих устройств, дихалькогениды переходных металлов и гетероструктуры этих материалов, над которыми мы работаем, считаются многообещающей материальной платформой для посткремниевых наноразмерных оптоэлектронных устройств. Двигаясь вперед, мы считаем, что это будет многообещающий путь к новым датчики, дисплеи и технологии», — сказал Хорнада.
|
|
|
|
Источник
|
