Excitons inter-camada e indiretos no espaço dos momenta em heteroestruturas de van der Waals

O avanço das técnicas de manipulação de materiais bidimensionais lamelares tem possibilitado o empilhamento de camadas de diferentes materiais, formando as chamadas heteroestruturas de van der Waals (HvdW, em alusão às fracas ligações de van der Waals que conectam essas camadas), em busca de um controle maior de suas propriedades eletrônicas. Uma das expectativas no empilhamento de uma monocamada de WSe2 ou WS2 sobre outra de MoSe2 ou MoS2 era o aparecimento de um pico extra no espectro de emissão de luz (fotoluminescência) dessa bicamada, com energia mais baixa que a dos gaps de energia dos materiais que a compõem quando estes se encontram separados. Este pico extra seria explicado por uma quasi-partícula chamada exciton, a qual é composta por um elétron ligado a um buraco (entende-se por buraco uma partícula positiva que equivale ao efeito coletivo de todos os elétrons remanescentes na faixa de energias de valência de um sólido) e já é amplamente conhecida na física de semicondutores. A diferença neste caso é que há uma forte expectativa do elétron e do buraco neste exciton de baixa energia estarem espacialmente separados, um em cada camada, o que, consequentemente, faria com que este exciton tivesse um tempo de vida maior que o normal. Isso seria de interesse tanto do ponto de vista científico, pois tais excitons com vida longa nos permitiriam, possivelmente, observar condensação de Bose-Einstein de excitons antes deles se dissociarem, como também do ponto de vista tecnológico, pois excitons com vida longa são mais adequados para aplicações em células solares e fotodetectores. A busca por estes excitons com carga espacialmente separada, ou excitons inter-camada (EIC), porém, tem se mostrado bastante desafiadora. Experimentos recentes reportam que não conseguiram observá-los, ou apresentam picos de baixa energia que não dão uma evidência definitiva de um EIC, às vezes até por apresentarem uma energia de ligação muito alta, inconsistente com o que se esperava de um elétron espacialmente separado do buraco.

Este artigo na Nature Physics apresenta uma das primeiras evidências mais claras de um EIC, observada em experimentos realizados pelo grupo de Tobias Korn, da Universidade de  Regensburg, Alemanha, em uma bicamada WSe2/MoS2. O pico de baixa energia na fotoluminescência se mostra consistente em várias amostras, com diversos ângulos de rotação entre as camadas. A dependência da energia deste pico sobre o ângulo de rotação permitiu que o time de teóricos, composto pelo professor Andrey Chaves (Departamento de Física, UFC) e pesquisadores das Universidades de Dresden (Alemanha) e Columbia (EUA), usando cálculos de teoria do funcional de densidade (DFT), identificasse este pico como sendo devido a uma transição indireta no espaço dos momenta, uma possibilidade que não havia sido percebida até então. A saber, a transição entre estados do ponto K da banda de condução e estados do ponto G da banda de valência é a única que apresenta uma dependência com o ângulo consistente com a observada experimentalmente. Além disso, esta mesma informação ajudou a explicar o aparente problema das altas energias de ligaçao do EIC: apesar do estado de elétron em K ser, de fato, fortemente localizado apenas na camada de MoS2, o buraco em G mostra-se praticamente igualmente espalhado entre MoS2 e WSe2 – este exciton indireto, então, tem sua carga apenas parcialmente separada no espaço, outra conclusão que não havia sido percebida em trabalhos experimentais anteriores e que leva a uma energia de ligação mais alta. Por fim, o caráter indireto deste EIC sugere que a intensidade deste pico depende fortemente da temperatura, o que verificou-se ser verdade nos experimentos. Poucos meses depois da divulgação dos pre-prints deste trabalho, três novos trabalhos surgiram explicando EIC em HvdV como sendo devido a transições indiretas no espaço dos momenta [ACS Nano 12, 4719 (2018), arXiv:1803.06405 (2018), Nano Lett. 17, 5229 (2017)], o que dá uma mostra do impacto deste estudo neste campo de pesquisa bastante ativo, atual e competitivo.

https://www.nature.com/articles/s41567-018-0123-y (link para o artigo no site da Nature Physics)

https://arxiv.org/pdf/1803.04936.pdf (link para uma versão gratuita)