Wechselwirkungsvielteilchenphasen von optisch erzeugten Exziton-Ensembles in van der Waals Heterostrukturen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Alexander Walter Holleitner; Professorin Dr. Ursula Wurstbauer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290642686

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projekt zielte darauf ab, das Phasendiagramm und die Phasenübergänge von stark wechselwirkenden exzitonischen Ensembles in van der Waals Heterostrukturen bei tiefsten Temperaturen und hohen Exzitonendichten zu untersuchen. Insbesondere wurden die Grundzustandseigenschaften der einzelnen Phasen durch deren spezifischem Fingerabdruck, dem niederenergetischen Lumineszenz-Spektrum, identifiziert. Darauf basierend wurden mit einer Kombination aus spektroskopischen Methoden wie Photolumineszenz, Raman und Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie sowie abbildender spektroskopischer Ellipsometrie verschiedene Materialkombinationen, Verdrehwinkel, Einkapselung mit hexagonalem Bor-Nitrid und Feldeffekt-Strukturen getestet und für den Untersuchungsschwerpunkt die geeignete van der Waals Heterostrukturen etabliert. Im Rahmen des Projekts konnten erste Signaturen für eine Entartung der exzitonischen Ensembles, wie eine Verringerung der Lumineszenz-Linienbreite bei Erhöhung der Exzitonen-Anzahl und eine entsprechende Erhöhung der zeitlichen Kohärenz nachgewiesen werden. Des Weiteren konnte erstmals gezeigt werden, dass die Lumineszenz derartiger exzitonischen Ensembles bei Entartung räumlich kohärent sein kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Imaging spectroscopic ellipsometry of MoS2. Journal of Physics: Condensed Matter, 28(38), 385301.
  Funke, S.; Miller, B.; Parzinger, E.; Thiesen, P.; Holleitner, A. W. & Wurstbauer, U.
  
• Collective electronic excitation in a trapped ensemble of photogenerated dipolar excitons and free holes revealed by inelastic light scattering. Physical Review B, 95(8).
  Dietl, Sebastian; Wang, Sheng; Schuh, Dieter; Wegscheider, Werner; Kotthaus, Jörg P.; Pinczuk, Aron; Holleitner, Alexander W. & Wurstbauer, Ursula
  
• Hydrogen evolution activity of individual mono-, bi-, and few-layer MoS 2 towards photocatalysis. Applied Materials Today, 8, 132-140.
  Parzinger, Eric; Mitterreiter, Elmar; Stelzer, Max; Kreupl, Franz; Ager, Joel W.; Holleitner, Alexander W. & Wurstbauer, Ursula
  
• Light–matter interaction in transition metal dichalcogenides and their heterostructures. Journal of Physics D: Applied Physics, 50(17), 173001.
  Wurstbauer, Ursula; Miller, Bastian; Parzinger, Eric & Holleitner, Alexander W.
  
• Long-Lived Direct and Indirect Interlayer Excitons in van der Waals Heterostructures. Nano Letters, 17(9), 5229-5237.
  Miller, Bastian; Steinhoff, Alexander; Pano, Borja; Klein, Julian; Jahnke, Frank; Holleitner, Alexander & Wurstbauer, Ursula
  
• Overflow of a dipolar exciton trap at high magnetic fields. Superlattices and Microstructures, 108, 42-50.
  Dietl, S.; Kowalik-Seidl, K.; Schuh, D.; Wegscheider, W.; Holleitner, A.W. & Wurstbauer, U.
  
• Impact of substrate induced band tail states on the electronic and optical properties of MoS2. Applied Physics Letters, 115(26).
  Klein, J.; Kerelsky, A.; Lorke, M.; Florian, M.; Sigger, F.; Kiemle, J.; Reuter, M. C.; Taniguchi, T.; Watanabe, K.; Finley, J. J.; Pasupathy, A. N.; Holleitner, A. W.; Ross, F. M. & Wurstbauer, U.
  
• On the parabolicity of dipolar exciton traps and their population of excess charge carriers. New Journal of Physics, 21(6), 063028.
  Dietl, S.; Sigl, L.; Sponfeldner, L.; Gardner, G.; Manfra, M.; Kotthaus, J. P.; Wurstbauer, U. & Holleitner, A. W.
  
• Tuning the Fröhlich exciton-phonon scattering in monolayer MoS2. Nature Communications, 10(1).
  Miller, Bastian; Lindlau, Jessica; Bommert, Max; Neumann, Andre; Yamaguchi, Hisato; Holleitner, Alexander; Högele, Alexander & Wurstbauer, Ursula
  
• Control of the orbital character of indirect excitons in MoS2-WS2 heterobilayers. Physical Review B, 101(12).
  Kiemle, Jonas; Sigger, Florian; Lorke, Michael; Miller, Bastian; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Holleitner, Alexander & Wurstbauer, Ursula
  
• Laterally Extended States of Interlayer Excitons in Reconstructed MoSe 2/WSe2 Heterostructures
  J. Figueiredo
  
• Light–matter interaction in van der Waals hetero-structures. Journal of Physics: Condensed Matter, 32(33), 333002.
  Deilmann, Thorsten; Rohlfing, Michael & Wurstbauer, Ursula
  
• Signatures of a degenerate many-body state of interlayer excitons in a van der Waals heterostack. Physical Review Research, 2(4).
  Sigl, Lukas; Sigger, Florian; Kronowetter, Fabian; Kiemle, Jonas; Klein, Julian; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Finley, Jonathan J.; Wurstbauer, Ursula & Holleitner, Alexander W.
  
• Bose‐Einstein‐Kondensat aus Exzitonen?. Physik in unserer Zeit, 52(3), 140-145.
  Wurstbauer, Ursula & Holleitner, Alexander W.
  
• Exciton Manifolds in Highly Ambipolar Doped WS2. Nanomaterials, 12(18), 3255.
  Tiede, David Otto; Saigal, Nihit; Ostovar, Hossein; Döring, Vera; Lambers, Hendrik & Wurstbauer, Ursula
  
• Exotische Exzitonen. Physik Journal 21 (1), pp22-23 (2022)
  T. Stiehm & U. Wurstbauer
  
• Graphene and Beyond: Recent Advances in Two-Dimensional Materials Synthesis, Properties, and Devices, ACS Nanosci. Au 2, 450 (2022)
  Y. Lei
  
• Optical dipole orientation of interlayer excitons in MoSe2 − WSe2 heterostacks, Phys. Rev. B 105, 035417 (2022)
  L. Sigl
  
• Spectroscopic imaging ellipsometry of two-dimensional TMDC heterostructures. Applied Physics Letters, 121(7).
  Sigger, Florian; Lambers, Hendrik; Nisi, Katharina; Klein, Julian; Saigal, Nihit; Holleitner, Alexander W. & Wurstbauer, Ursula
  
• Exciton-phonon scattering: Competition between the bosonic and fermionic nature of bound electron-hole pairs. Physical Review B, 108(12).
  Katzer, Manuel; Selig, Malte; Sigl, Lukas; Troue, Mirco; Figueiredo, Johannes; Kiemle, Jonas; Sigger, Florian; Wurstbauer, Ursula; Holleitner, Alexander W. & Knorr, Andreas
  
• Extended Spatial Coherence of Interlayer Excitons in MoSe2\WSe2 Heterobilayers, Phys. Rev. Lett. 131, 036902 (2023)
  M. Troue
  
• Collective Charge Excitations between Moiré Minibands in Twisted WSe2 Bilayers Probed with Resonant Inelastic Light Scattering. Physical Review Letters, 133(4).
  Saigal, Nihit; Klebl, Lennart; Lambers, Hendrik; Bahmanyar, Sina; Antić, Veljko; Kennes, Dante M.; Wehling, Tim O. & Wurstbauer, Ursula
  
• Evidence for chiral graviton modes in fractional quantum Hall liquids. Nature, 628(8006), 78-83.
  Liang, Jiehui; Liu, Ziyu; Yang, Zihao; Huang, Yuelei; Wurstbauer, Ursula; Dean, Cory R.; West, Ken W.; Pfeiffer, Loren N.; Du, Lingjie & Pinczuk, Aron
  
• Interlayer and Moiré excitons in atomically thin double layers: From individual quantum emitters to degenerate ensembles. MRS Bulletin, 49(9), 914-931.
  Brotons-Gisbert, Mauro; Gerardot, Brian D.; Holleitner, Alexander W. & Wurstbauer, Ursula
  
• Orientation Dependent Interlayer Coupling in Organic–Inorganic Heterostructures. Advanced Functional Materials, 34(28).
  Bartlam, Cian; Saigal, Nihit; Heiserer, Stefan; Lambers, Hendrik; Wurstbauer, Ursula & Duesberg, Georg S.
  
• Scanning Acousto‐Optoelectric Spectroscopy on a Transition Metal Dichalcogenide Monolayer. Advanced Materials, 36(49).
  Nysten, Emeline D. S.; Weiß, Matthias; Mayer, Benjamin; Petzak, Tobias M.; Wurstbauer, Ursula & Krenner, Hubert J.