We have experimentally determined the energies of the ground and first four excited excitonic states of the fundamental optical transition in monolayer WS2, a model system for the growing class of atomically thin two-dimensional semiconductor crystals. From the spectra, we establish a large exciton binding energy of 0.32 eV and a pronounced deviation from the usual hydrogenic Rydberg series of energy levels of the excitonic states. We explain both of these results using a microscopic theory in which the non-local nature of the effective dielectric screening modifies the functional form of the Coulomb interaction. These strong but unconventional electron-hole interactions are expected to be ubiquitous in atomically thin materials.

We present a microscopic theory of neutral excitons and charged excitons (trions) in monolayers of transition metal dichalcogenides, including molybdenum disulfide. Our theory is based on an effective mass model of excitons and trions, parametrized by ab initio calculations and incorporating a proper treatment of screening in two dimensions. The calculated exciton binding energies are in good agreement with high-level many-body computations based on the Bethe-Salpeter equation. Furthermore, our calculations for the more complex trion species compare very favorably with recent experimental measurements, and provide atomistic insight into the microscopic features which determine the trion binding energy.

Nitrogen atoms that replace carbon atoms in the graphene lattice strongly modify the local electronic structure.

The ability to control the size of the electronic bandgap is an integral part of solid-state technology. Atomically thin two-dimensional crystals offer a new approach for tuning the energies of the electronic states based on the unusual strength of the Coulomb interaction in these materials and its environmental sensitivity. Here, we show that by engineering the surrounding dielectric environment, one can tune the electronic bandgap and the exciton binding energy in monolayers of WS2 and WSe2 by hundreds of meV. We exploit this behaviour to present an in-plane dielectric heterostructure with a spatially dependent bandgap, as an initial step towards the creation of diverse lateral junctions with nanoscale resolution.

Strong many-body Coulomb interactions allow for bound two- and three-body excitonic states to form in monolayer transition metal dichalcogenides, but it is now shown that such interactions are strong enough to create four-body biexcitonic states. Transition metal dichalcogenide (TMDC) crystals exhibit new emergent properties at monolayer thickness1,2, notably strong many-body effects mediated by Coulomb interactions3,4,5,6. A manifestation of these many-body interactions is the formation of excitons, bound electron–hole pairs, but higher-order excitonic states are also possible. Here we demonstrate the existence of four-body, biexciton states in monolayer WSe2. The biexciton is identified as a sharply defined state in photoluminescence at high exciton density. Its binding energy of 52 meV is more than an order of magnitude greater than that found in conventional quantum-well structures7. A variational calculation of the biexciton state reveals that the high binding energy arises not only from strong carrier confinement, but also from reduced and non-local dielectric screening. These results open the way for the creation of new correlated excitonic states linking the degenerate valleys in TMDC crystals, as well as more complex many-body states such as exciton condensates or the recently reported dropletons8.

We study the thermal motion of colloidal tracer particles in entangled actin filament (F-actin) networks, where the particle radius is comparable to the mesh size of the F-actin network. In this regime, the ensemble-averaged mean-squared displacement of the particles is proportional to ${\ensuremath{\tau}}^{\ensuremath{\gamma}}$, where $0<\ensuremath{\gamma}<1$ from $0.1<\ensuremath{\tau}<100\text{ }\mathrm{s}$ and depends only on the ratio of the probe radius to mesh size. By directly imaging hundreds of particles over 20 min, we determine this anomalous subdiffusion is due to the dynamics of infrequent and large jumps particles make between distinct pores in the network.

Robust methods to tune the unique electronic properties of graphene by chemical modification are in great demand due to the potential of the two dimensional material to impact a range of device applications. Here we show that carbon and nitrogen core-level resonant X-ray spectroscopy is a sensitive probe of chemical bonding and electronic structure of chemical dopants introduced in single-sheet graphene films. In conjunction with density functional theory based calculations, we are able to obtain a detailed picture of bond types and electronic structure in graphene doped with nitrogen at the sub-percent level. We show that different N-bond types, including graphitic, pyridinic, and nitrilic, can exist in a single, dilutely N-doped graphene sheet. We show that these various bond types have profoundly different effects on the carrier concentration, indicating that control over the dopant bond type is a crucial requirement in advancing graphene electronics.