物性物理学：ファンデルワールスヘテロ構造のモアレ超格子における共鳴混成励起子

二次元材料の原子レベルの薄層を積み重ねることで、各層が比較的弱いファンデルワールス力で互いに保持された垂直積層体を得ることができる。これによって、格子不整合がある単層結晶や任意に相互回転した単層結晶間の結合が可能になる。その結果、構成結晶構造の局所的な原子の位置関係に、モアレ超格子と呼ばれる全体的な周期性が現れる。グラフェン/六方晶窒化ホウ素構造では、モアレ超格子が存在すると電子ミニバンドが観測されることがあり、ねじれた2層グラフェンでは、その効果が層間共鳴条件によって増強される結果、魔法ねじれ角において超伝導体–絶縁体転移が起こる。今回我々は、格子整合しない単層二セレン化モリブデン（MoSe₂）と単層二硫化タングステン（WS₂）から組み立てた半導体ヘテロ構造を用いて、励起子バンドが混成し、モアレ超格子効果が共鳴的に増強され得ることを実証する。MoSe₂とWS₂は、それらの伝導帯端がほぼ縮退していることから、層内励起子と層間励起子の混成を促す目的で選ばれた。混成は、MoSe₂に存在する正孔が隣接する単層のねじれ依存的な重ね合わせ電子状態と結合して混成励起子が形成されるために生じる顕著な励起子エネルギーの変化を通して、層間回転角の周期関数として現れる。単層同士の向きがほぼそろったヘテロ構造の場合、電子状態の共鳴混合に起因して、ヘテロ構造の幾何学的モアレパターンが混成励起子の分散と光学スペクトルに顕著な影響を及ぼす。我々の知見は、ファンデルワールスヘテロ構造に基づく半導体デバイスにおけるバンド構造設計の戦略を実証している。

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