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(Noticias de Nanowerk) Si sostiene una malla de alambre sobre otra y mira a través de ella, verá un patrón más grande llamado patrón muaré formado por las cuadrículas superpuestas de las dos mallas, que depende de su ángulo de giro relativo. Los científicos que desarrollan nuevos materiales están estudiando activamente los patrones de muaré en materiales superpuestos atómicamente delgados, generando fenómenos electrónicos fascinantes, que incluyen superconductividad no convencional y ferromagnetismo.
Las simulaciones de supercomputadoras han ayudado a los científicos a descubrir un nuevo tipo de fenómeno electrónico en un sistema muaré bicapa llamado excitón, que es una cuasipartícula eléctricamente neutra pero capaz de transportar energía y consiste en un electrón y un «agujero» de electrones que se pueden generar, por ejemplo. , por la incidencia de la luz sobre determinados semiconductores y otros materiales.
Los excitones recién descubiertos fueron generados por patrones muaré a partir de capas bidimensionales de semiconductores exóticos llamados dicalcogenuros de metales de transición, con el electrón unido al hueco pero separado por una distancia característica en la capa. Esto se ha denominado excitón de transferencia de carga intracapa y fue una sorpresa para los científicos, ya que tales excitones no se encuentran en las capas individuales. La investigación se puede utilizar para desarrollar nuevos sensores ópticos y tecnologías de comunicación, como fibra óptica y láser.
![un excitón de transferencia de carga intracapa que consta de un electrón y un hueco de electrón separados por una distancia característica en una superred moiré](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61797_1.jpg)
Nueva salida descubierta
«En este trabajo, descubrimos un nuevo excitón con propiedades de transferencia de carga no anticipadas dentro de una capa en una superred de Moiré compuesta por dos capas atómicamente delgadas de materiales de dicalcogenuro de metales de transición», dijo Steven G. Louie, distinguido profesor de física en la Universidad de California. Berkeley (UC Berkeley) y científico senior de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL).
Louie es el autor correspondiente de la investigación publicada en la revista Naturaleza («Excitones de muaré de transferencia de carga intracapa en superredes de Van der Waals»). Los científicos desarrollaron modelos informáticos que van más allá de los modelos parametrizados convencionales para describir los sistemas Moiré y los excitones Moiré. En cambio, realizaron cálculos ab initio comenzando solo con la identidad y la posición inicial de los 3.903 átomos de la celda unitaria de la superred de Moiré.
Primeros principios
«Es una forma poderosa de predecir con precisión las propiedades de los materiales», agregó Louie, «porque no se requiere un ajuste empírico».
En particular, para calcular los estados de excitón y las propiedades ópticas de los sistemas Moiré, utilizaron el enfoque de última generación de GW más la ecuación de Bethe-Salpeter (GW-BSE), que se considera uno de los más enfoques precisos para predecir las propiedades ópticas de los materiales.
![Reconstrucción de una superred Moiré](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61797_2.jpg)
Además, Louie y sus colegas usaron sus cálculos para predecir las diferentes respuestas electrónicas y ópticas de los excitones en el sistema. Colaboraron con colegas experimentales Emma C. Regan, Zuocheng Zhang y el profesor Feng Wang en UC Berkeley. Brevemente, Wang y sus colegas iluminaron el material y luego analizaron la luz reflejada para ver cómo respondía el sistema a los fotones incidentes en diferentes condiciones.
De hecho, confirmaron las predicciones teóricas al encontrar firmas claras del excitón de transferencia de carga intracapa en sus mediciones.
«El método GW-BSE es muy preciso pero también muy intensivo en computación», dijo el coautor del estudio, Mit Naik, becario postdoctoral que trabaja con el profesor Louie en UC Berkeley y LBNL.
El desafío de simular un excitón es que las complejas integrales de seis dimensiones deben resolverse muchas veces, y las integrales en la superred de Moiré son masivas debido al gran tamaño de la celda unitaria de Moiré, compuesta por muchas celdas unitarias de las capas individuales. 25×25 para una capa y 26×26 para la otra.
Los cálculos típicos de GW-BSE se realizan en sistemas con solo hasta cien átomos en la celda unitaria. Aquí los autores requirieron cálculos para 3.903 átomos sibilantes. «Al principio parecía casi imposible», dijo Naik.
Sin desanimarse, los científicos se toparon con un nuevo método que redujo el esfuerzo computacional en un millón de veces sin pérdida de precisión.
«Encontramos una manera de aproximar la integral de dos mil átomos de cada capa como una suma de muchas integrales de tres átomos, que eran mucho más fáciles de calcular computacionalmente», dijo Naik.
La técnica teórica que desarrollaron, denominada método de proyección de matriz de células unitarias prístinas (PUMP), se puede generalizar para estudiar otros sistemas de materiales, como los excitones de Moiré entre capas o híbridos en superredes de Moiré multicapa, defectos superficiales en los materiales y más investigaciones.
El Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) apoyó el primer estudio fundamental de materiales avanzados de Steven Louie a través de una importante asignación de recursos en la supercomputadora Frontera de TACC, el sistema académico de mayor rendimiento en los EE. UU. financiado por la Fundación Nacional de Ciencias.
También recibió subvenciones para la supercomputadora Stampede2 de TACC, que se otorgaron a través del Ecosistema de Coordinación de Infraestructura Cibernética Avanzada: Servicios y Soporte (ACCESS), anteriormente financiado por la NSF, Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).
Intentando empujar el límite de la cantidad de átomos en sus cálculos, los investigadores inicialmente tuvieron algunos problemas para realizar algunos de los cálculos de Moiré a gran escala en Frontera.
“Recibimos el apoyo del personal científico de TACC, que nos ayudó a resolver estos problemas”, recuerda Naik.
Por ejemplo, no pudieron ejecutar las simulaciones a gran escala de las propiedades del estado fundamental en Frontera utilizando un paquete de teoría funcional de densidad (DFT) estándar llamado Quantum Espresso porque una nueva versión del compilador Intel introdujo inestabilidad en el paquete DFT.
El equipo asesor de TACC solucionó el problema instalando una versión más antigua y estable del compilador. «Esto nos permitió calcular la estructura electrónica de la superred WSe2 Moiré que se incorporó a este trabajo», dijo Naik.
“El hardware de Frontera y Stampede2 satisfizo de manera eficiente nuestras necesidades al proporcionar conexiones de última generación entre nodos y almacenamiento suficiente en cada nodo”, agregó Naik.
![Isosuperficie de densidad de electrones calculada para un excitón muaré intracapa dado con coordenadas de agujeros fijadas en un punto](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61797_3.gif)
Impacto en la ciencia
«El excitón de transferencia de carga intracapa que descubrimos a través de este apilamiento artificial de dos monocapas ha revelado una interacción extraordinariamente fuerte de estructura atómica y tipo de excitón posible en los sistemas Moiré», dijo Louie. «Este es un paso importante en el avance de la ingeniería de materiales para las propiedades deseadas».
Esto se debe a que una vez que la luz crea excitones de transferencia de carga, pueden distorsionarse o disociarse más fácilmente por un campo externo u otras perturbaciones que los excitones de tipo Wannier estándar.
Estas consideraciones son importantes para muchos fenómenos fundamentales y aplicaciones potenciales, tales como B. Nuevos sensores ópticos y nanodispositivos con modulación electro-óptica. «Eso es en lo que estamos trabajando en este momento con nuestros colegas experimentales», dijo Louie.
«Las propiedades excitónicas de los materiales forman los principios fundamentales detrás de muchos de los sensores y dispositivos ópticos y optoelectrónicos que encontramos en nuestra vida diaria», dijo el coautor del estudio Felipe Jornada, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Stanford e investigador principal. en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.
Dio el ejemplo de los televisores y pantallas OLED que utilizan la emisión de luz de la recombinación de excitones en semiconductores orgánicos. Además, los nuevos relojes inteligentes utilizan sensores ópticos avanzados para monitorear los niveles de oxígeno en la sangre del usuario.
“Más allá de los dispositivos existentes, los dicalcogenuros de metales de transición y las heteroestructuras de estos materiales en los que estamos trabajando se consideran una plataforma de materiales prometedora para dispositivos optoelectrónicos a nanoescala posteriores al silicio. Creemos que esta será una vía prometedora hacia nuevos sensores, pantallas y tecnologías”, dijo Jornada.
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