چرخش و بازچرخش ناشی از نور در شبکه‌های موئره

• Cameron J. R. Duncan ORCID: orcid.org/0000-0001-6602-7909^1,2,
• Amalya C. Johnson ORCID: orcid.org/0000-0002-9604-984X³,
• Indrajit Maity^4,5,
• Angel Rubio ORCID: orcid.org/0000-0003-2060-3151^5,6,
• Matthew Gordon¹,
• Adam C. Bartnik¹,
• Michael Kaemingk^1,7,
• William H. Li ORCID: orcid.org/0000-0001-7479-1210^1,8,
• Matthew B. Andorf¹,
• Chad A. Pennington^1,9,
• Ivan V. Bazarov¹,
• Mark W. Tate¹⁰,
• David A. Muller ORCID: orcid.org/0000-0003-4129-0473^11,12,
• Julia Thom-Levy¹³,
• Sol. M. Gruner ORCID: orcid.org/0000-0002-1171-4426^10,14,
• Aaron M. Lindenberg ORCID: orcid.org/0000-0003-3233-7161^2,3,
• Jared M. Maxson ORCID: orcid.org/0009-0004-6479-8848^1,14 &
• …
• Fang Liu ORCID: orcid.org/0000-0002-1467-8328¹⁵ 

موضوعات

• فیزیک ماده چگال
• مواد دو‌بعدی

چکیده

مواد موئره دو‑بعدی با چیدن مصنوعی لایه‌های تک‌نقطه‌ای اتمی ساخته می‌شوند. فازهای کوانتومی همبسته و توپوژنتیک می‌توانند با انتخاب دقیق هندسهٔ چیدن مهندسی شوند^1,2,3. این ویژگی‌های الکترونیکی طراحی‌شده به‌طور حیاتی به‌پیوستگی بین‌لایه‌ای و رجیستری اتمی وابسته‌اند^4,5. سؤال باز این است که رجیستری اتمی در مقیاس‌های فوق‌سرعتی به تحریک نوری چگونه واکنش می‌دهد و آیا می‌توان هندسهٔ موئره را به‌صورت دینامیک بازپیکربندی کرد تا پدیده‌های نوظهور را در زمان واقعی تنظیم کرد. در این کار نشان می‌دهیم که تابش فوتومثانیه‌ای، حرکت همزمانی چرخش‑بازچرخش شبکهٔ موئره را در هتِرابیلِرهای WSe₂/MoSe₂ با چرخش ۲° و ۵۷° به‌وجود می‌آورد که به‌صورت مستقیم توسط پراش الکترونی فوق‌سرعت (UED) قابل مشاهده است. در تحریک نوری بالاتر از باند‑گیپ، ویژگی‌های پراشی شبکهٔ موئره در کمتر از ۱ پیکوثانیه تقویت می‌شوند و پس از چند پیکوثانیه کاهش می‌یابند، که به‌وضوح از گرم‌شدن معمولی شبکه ناشی از نور متمایز است. تحلیل پراش کینتیک، همراه با شبیه‌سازی‌های دینامیک نمونه، نشان می‌دهد که نوسان زاویهٔ چرخش محلی از حداکثر به حداقل به‌قدر ۰٫۶° رخ می‌دهد که همگام با یک فونون موئره با فرکانس زیر‑THz است. این حرکت توسط انتقال بار فوق‌سرعتی که به‌طور گذرا جذب بین‌لایه‌ای را افزایش می‌دهد، به‌وجود می‌آید. نتایج ما می‌تواند به‌سوی کنترل فوق‌سرعتی تحریفات دوره‌ای شبکهٔ موئره و به‌طور گسترده‌تر، پتانسیل موئرهٔ محلی که شکل‌گیری اکسیتون‌ها، پولارون‌ها و رفتارهای ناشی از همبستگی را تعیین می‌کند، پیش برود.

دسترس‌پذیری داده‌ها

داده‌های آزمایشی که نتایج این مقاله را پشتیبانی می‌کنند، در شکل‌ها موجود هستند. نقاط داده‌ای که بخش اصلی نتایج آزمایشی را تشکیل می‌دهند، شکل ۲ a,b,d,e، در فایل‌های .csv جدول‌بندی شده‌اند و به‌صورت آنلاین در دسترس هستند. داده‌های منبع همراه این مقاله ارائه شده‌اند.

دسترس‌پذیری کد

فایل‌های ورودی شبیه‌سازی مرتبط با ساختارهای هم‌لایهٔ پیچ‌دار، بهینه‌سازی اتمی، محاسبات فونونی، ساختارهای الکترونیکی و پتانسیل‌های تغییر شکل در گیت‌هاب (https://github.com/imaitygit/PaperData/tree/main/PhotoinducedTwist) در دسترس هستند.

مراجع

1. Cao, Y. et al. رفتار عایق همبسته در پرشدگی نیمه‌پر در ابرساخت‌های گرافن با زاویه جادویی. Nature 556, 80–84 (2018).

2. Regan, E. C. et al. حالات موت و کریستال وی‌نر کلی عمومی در ابرساخت‌های موئرهٔ WSe₂/WS₂. Nature 579, 359–363 (2020).

3. Xia, Y. et al. ابررسانایی در لایهٔ دو‑ضلیعی پیچ‌دار WSe₂. Nature 637, 833–838 (2025).

4. Yoo, H. et al. بازسازی اتمی و الکترونی در رابط وان‌در‑والز لایهٔ دو‑ضلیعی پیچ‌دار گرافن. Nat. Mater. 18, 448–453 (2019).

5. Xie, H. et al. مهندسی چرخش مغناطیس دو‌بعدی در هم‌ساخت‌های دوبل دو‑لایهٔ کرومیم تری‌ایدید. Nat. Phys. 18, 30–36 (2022).

6. Wang, L. et al. فازهای الکترونیکی همبسته در لایهٔ دو‑ضلیعی پیچ‌دار دی‌کلینیدهای فلزات انتقالی. Nat. Mater. 19, 861–866 (2020).

7. Shimazaki, Y. et al. الکترون‌های به‌شدت همبسته و اکسیتون‌های ترکیبی در یک هم‌ساخت موئره. Nature 580, 472–477 (2020).

8. Park, H. et al. مشاهدهٔ اثر هال غیرعادی به‌صورت کسری کمی. Nature 622, 74–79 (2023).

9. Li, H. et al. تصویر‌برداری از کریستال‌های وی‌نر عمومی دو‌بعدی. Nature 597, 650–654 (2021).

10. Zhou, Y. et al. کریستال‌های وی‌نر دو‑لایه در یک هم‌ساخت دی‌کلینید فلز انتقالی. Nature 595, 48–52 (2021).

11. Guo, Y. et al. ابررسانایی در لایهٔ دو‑ضلیعی پیچ‌دار با زاویهٔ ۵٫۰° WSe₂. Nature 637, 839–845 (2025).

12. Carr, S., Fang, S. & Kaxiras, E. روش‌های ساختار الکترونی برای لایه‌های موئرهٔ پیچ‌دار. Nat. Rev. Mater. 5, 748–763 (2020).

13. Maity, I., Maiti, P. K., Krishnamurthy, H. & Jain, M. بازسازی شبکه‌های موئره در لایه‌های دو‑ضلیعی پیچ‌دار دی‌کلینیدهای فلزات انتقالی. Phys. Rev. B 103, L121102 (2021).

14. Nam, N. N. & Koshino, M. آرام‌سازی شبکه و مدولاسیون باند انرژی در گرافن دو‑ضلیعی پیچ‌دار. Phys. Rev. B 96, 075311 (2017).

15. Wang, C. et al. عایق چنری کسری در لایهٔ دو‑ضلیعی پیچ‌دار MoTe₂. Phys. Rev. Lett. 132, 036501 (2024).

16. Zhang, X.-W. et al. تحولات توپوژی باند تحت‌تاثیر قطبش در MoTe₂ و WSe₂ پیچ‌دار. Nat. Commun. 15, 4223 (2024).

17. Seyler, K. L. et al. نشانه‌های اکسیتون‌های دره‌ای موئره‌گرفته در هم‌لایه‌های MoSe₂/WSe₂. Nature 567, 66–70 (2019).

18. Tran, K. et al. شواهدی برای اکسیتون‌های موئره در هم‌ساخت‌های وان‌در‑والز. Nature 567, 71–75 (2019).

19. Jin, C. et al. مشاهدهٔ اکسیتون‌های موئره در ابرساخت‌های هم‌ساختی WSe₂/WS₂. Nature 567, 76–80 (2019).

20. Alexeev, E. M. et al. اکسیتون‌های ترکیبی هم‌نوا در ابرساخت‌های موئره در هم‌ساخت‌های وان‌در‑والز. Nature 567, 81–86 (2019).

21. Campbell, A. J. et al. اکسیتون‑پولارون‌ها در حضور حالات الکترونیکی به‌شدت همبسته در ابرساخت موئره MoSe₂/WSe₂. NPJ 2D Mater. Appl. 6, 79 (2022).

22. Arsenault, E. A. et al. کریستال‌های الکترونی پولارونی دو‑بعدی موئره‌ای. Phys. Rev. Lett. 132, 126501 (2024).

23. Biswas, S. et al. تشکیل پولارون اکسیتونی و بازآیندهٔ حامل‌های گرم در پروسکایت‌های دو‑بعدی سخت نوع دیون‑جاکوبسون. Nat. Mater. 23, 937–943 (2024).

24. Dai, Z., Lian, C., Lafuente‑Bartolome, J. & Giustino, F. پولارون‌های اکسیتونی و اکسیتون‌های خود‑محبوس از برهم‌کنش‌های اکسیتون‑فونون محاسبهٔ اولین اصول. Phys. Rev. Lett. 132, 036902 (2024).

25. Barré, E. et al. جذب نوری اکسیتون‌های بین‌لایه‌ای در هم‌ساخت‌های دی‌کلینیدهای فلز انتقالی. Science 376, 406–410 (2022).

26. Liu, F. et al. جداسازی بلورهای دو‑بعدی وان‌در‑والز به مونولایه‌های ماکروسکوپی و بازترکیب به شبکه‌های مصنوعی. Science 367, 903–906 (2020).

27. Duncan, C. J. R. et al. پراش الکترونی زمان‌محور چند مقیاسی: مطالعهٔ موردی در مواد موئره. Ultramicroscopy 253, 113771 (2023).

28. Qiu, W., Zhang, B., Sun, Y., He, L. & Ni, Y. بازسازی اتمی که امکان ترکیب بین فاصلهٔ بین‌لایه‌ای و چرخش در دو‑لایه‌های وان‌در‑والز را فراهم می‌کند. Extreme Mech. Lett. 69, 102159 (2024).

29. Tang, Y. et al. شبیه‌سازی فیزیک مدل هابارد در ابرساخت‌های موئرهٔ WSe₂/WS₂. Nature 579, 353–358 (2020).

30. Wang, T., Sun, H., Li, X. & Zhang, L. فونون‌های چایرال: پیش‌بینی، تأیید و کاربرد. Nano Lett. 24, 4311–4318 (2024).

31. Li, W. H. et al. دستگاه میکرو‑پراش الکترونی فوق‌سرعت به انرژی کیلوالکترون‌ولت، استفاده‌کننده فتوکاتودهای نیمه‌هادی با انتشار کم. Struct. Dyn. 9, 024302 (2022).

32. Carr, S. et al. آرام‌سازی و تشکیل دامنه‌ها در هم‌ساخت‌های دو‑بعدی ناهمسان. Phys. Rev. B 98, 224102 (2018).

33. Rosenberger, M. R. et al. بازسازی اتمی وابسته به زاویهٔ چرخش و الگوهای موئره در هم‌ساخت‌های دی‌کلینیدهای فلز انتقالی. ACS Nano 14, 4550–4558 (2020).

34. Sung, S. H. et al. تحریفات دوره‌ای دورانی شبکه و پراش مواد دو‑بعدی پیچ‌دار. Nat. Commun. 13, 7826 (2022).

35. Britt, T. L. et al. مشاهدهٔ مستقیم دینامیک فونون در مو‌اس₂ لایه‌ای اتمی. Nano Lett. 22, 4718–4724 (2022).

36. Sood, A. et al. انتشار فونون دوجهتی در هم‌ساخت‌های دو‑بعدی که توسط انتقال بار فوق‌سرعتی تحریک می‌شود. Nat. Nanotechnol. 18, 29–35 (2023).

37. Johnson, A. C. et al. مسیرهای پنهان فونونی انتقال انرژی بین‌لایه‌ای ناشی از نور را در هم‌ساخت‌های دی‌کلینیدهای فلز انتقالی پیچ‌دار تقویت می‌کنند. Sci. Adv. 10, 8819 (2024).

38. Wang, J. et al. ایجاد نوری چگالی بالای حامل‌ها در هم‌لایه‌های دو‑بعدی نیمه‌رسانا. Sci. Adv. 5, eaax0145 (2019).

39. Li, C. et al. فونون‌های همگن در هم‌لایه‌های MoSe₂/WSe₂ وان‌در‑والز. Nano Lett. 23, 8186–8193 (2023).

40. Mannebach, E. M. et al. تنظیم نوری دینامیک تعاملات بین‌لایه‌ای در دی‌کلینیدهای فلز انتقالی. Nano Lett. 17, 7761–7766 (2017).

41. Zhu, H. et al. انتقال بار سطحی که عدم تطابق مومنتم را در پیوندهای دو‑بعدی وان‌در‑والز دور می‌زند. Nano Lett. 17, 3591–3598 (2017).

42. Ji, Z. et al. انتقال بار فوق‌سرعتی مقاوم به چیدمان در دو‑لایه‌های MoS₂/WS₂. ACS Nano 11, 12020–12026 (2017).

43. Gillen, R. & Maultzsch, J. اکسیتون‌های بین‌لایه‌ای در هم‌ساخت‌های MoSe₂/WSe₂ بر پایه محاسبات اصول اولیه. Phys. Rev. B 97, 165306 (2018).

44. Thomsen, C., Grahn, H. T., Maris, H. J. & Tauc, J. تولید سطحی و کشف فونون‌ها توسط پالس‌های نوری پیکوسکنندی. Phys. Rev. B 34, 4129–4138 (1986).

45. Schmitt, D. et al. تشکیل اکسیتون‌های بین‌لایه‌ای موئره در فضا و زمان. Nature 608, 499–503 (2022).

46. Karni, O. et al. ساختار اکسیتون موئره که با تصویربرداری از الکترون و حفره آن ثبت شده است. Nature 603, 247–252 (2022).

47. Wu, F., Lovorn, T., Tutuc, E. & MacDonald, A. H. فیزیک مدل هابارد در باندهای موئره دی‌کلینیدهای فلز انتقالی. Phys. Rev. Lett. 121, 026402 (2018).

48. Geng, W. T. et al. گردابهٔ جابه‌جایی به عنوان منبع پتانسیل‌های موئره در دو‑لایه‌های پیچ‌دار WSe₂/MoSe₂. Matter 6, 493–505 (2023).

49. Kim, S., Mendez‑Valderrama, J. F., Wang, X. & Chowdhury, D. نظریهٔ عایق‌های همبسته و ابررسانا در ν = 1 در WSe₂ پیچ‌دار. Nat. Commun. 16, 1701 (2025).

50. Qian, C. et al. لیزر کردن اکسیتون‌های بین‌لایه‌ای موئره‌گرفته MoSe₂/WSe₂ متصل به یک نانوکوفه. Nat. Commun. 15, 4223 (2024).

51. Schneider, G. F., Calado, V. E., Zandbergen, H., Vandersypen, L. M. & Dekker, C. انتقال با روش گِرِش نانوساخت‌ها. Nano Lett. 10, 1912–1916 (2010).

52. Jiang, J.-W. & Zhou, Y.-P. (eds) راهنمای پارامترهای پتانسیل Stillinger‑Weber برای کریستال‌های اتمی دو‑بعدی (InTech, 2017).

53. Naik, M. H., Maity, I., Maiti, P. K. & Jain, M. پتانسیل Kolmogorov‑Crespi برای دی‌کلینیدهای فلز انتقالی چند‑لایه: ثبت تغییرات ساختاری در ابرساخت‌های موئره. J. Phys. C 123, 9770–9778 (2019).

54. Thompson, A. P. et al. LAMMPS – ابزار شبیه‌سازی انعطاف‌پذیر برای مدل‌سازی مواد مبتنی بر ذره در مقیاس‌های اتمی، میانی و پیوسته. Comput. Phys. Commun. 271, 108171 (2022).

55. Naik, S., Naik, M. H., Maity, I. & Jain, M. Twister: ساخت و آرام‌سازی ساختاری ابرساخت‌های موئره هم‌تراز. Comput. Phys. Commun. 271, 108184 (2022).

56. Togo, A. & Tanaka, I. محاسبات فونون بر پایه اصول اولیه در علم مواد. Scr. Mater. 108, 1–5 (2015).

57. Hu, J., Xiang, Y., Ferrari, B. M., Scalise, E. & Vanacore, G. M. دینامیک اکسیتون‑فونون غیرمستقیم در MoS₂ که توسط پراش الکترونی فوق‌سرعتی آشکار شد. Adv. Funct. Mater. 33, 2206395 (2023).

58. González‑Manteiga, W. & Crujeiras, R. M. مرور به‌روزشده‌ای از آزمون‌های مناسب بودن برازش برای مدل‌های رگرسیونی. Test 22, 361–411 (2013).

تشکر و تقدیر

اندازه‌گیری‌ها و ابزارهای UED توسط وزارت انرژی ایالات متحده (شماره‌های جایزه DE‑SC0020144 و DE‑SC0017631) و بنیاد ملی علم ایالات متحده (شماره گرنت PHY‑1549132) و مرکز پرتوهای درخشان پشتیبانی شدند. تهیهٔ مونولایه‌ها و هم‌لایه‌های پیچ‌دار در دانشگاه استنفورد توسط آژانس پروژه‌های پیشرفته دفاعی (DARPA) تحت توافق‌نامه شماره HR00112390108 حمایت می‌شود. اف. ال. از حمایت وزارت انرژی ایالات متحده، دفتر علم، علوم پایهٔ انرژی، برنامه CPIMS، تحت شماره جایزه DE‑SC0026181 سپاس می‌گوید. ای. ام. ال. از حمایت وزارت انرژی ایالات متحده، دفتر علم، علوم پایهٔ انرژی، بخش علوم و مهندسی مواد، زیر قرارداد شماره DE‑AC02‑76SF00515 قدردانی می‌کند. استقرار آشکارساز EMPAD در این آزمایش به‌جزئی توسط مؤسسهٔ کاولی در دانشگاه کرنل تأمین مالی شد. ما از زِیُو X‑Y برای حمایت و راهنمایی‌اش در تسهیل اندازه‌گیری‌های TR‑ARPES که با استفاده از تنظیمات در آزمایشگاه او در دانشگاه کلمبیا انجام شد، سپاسگزاریم.