De ontdekking van een nieuw quasideeltje is analoog aan de ontdekking van een nieuw molecuul, behalve dat moleculen verschillende elementen bevatten, terwijl quasideeltjes zijn gemaakt van fundamentele deeltjes en interacties. Omdat elk molecuul zijn eigen unieke eigenschappen heeft, zo ook quasideeltjes, en de ontdekking van een nieuwe brengt een scala aan mogelijke technologische toepassingen met zich mee.

Een nieuw quasideeltje genaamd "polaronic trion, " ontdekt in molybdeendisulfide (MoS ₂ ) door een team van de National University of Singapore (NUS), zou kunnen worden gebruikt om een ​​optische modulator voor zichtbaar licht te ontwerpen die wordt gecontroleerd door zowel temperatuur als elektrische velden.

De onderzoeksinspanningen voor deze doorbraak werden geleid door professor T Venky Venkatesan, Directeur van het NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI), en werd gepubliceerd in Geavanceerde materialen op 26 augustus 2019.

De vorming van het nieuwe quasideeltje

Een quasideeltje is in wezen een composiet gevormd door de interactie van elementaire deeltjes. Bijvoorbeeld, de coulomb-interactie tussen tegengesteld geladen deeltjes, zowel elektronen als gaten, in een halfgeleider geeft aanleiding tot een quasideeltje, bekend als het exciton. "Onlangs werd gemeld dat in elektronenrijke halfgeleiders, een extra elektron kan binden aan een exciton om een ​​nieuw quasideeltje te vormen dat het 'trion' wordt genoemd, '", deelde prof. Venkatesan mee.

In dit geval, ontdekten de onderzoekers dat wanneer een atomair dunne laag MoS ₂ wordt gekweekt op een eenkristal van strontiumtitanaat (SrTiO ₃ ), de geladen trion in MoS ₂ kan verder interageren met de atomaire trillingen van de SrTiO ₃ rooster om een ​​nieuw quasideeltje te vormen. De aard van deze interactie is vergelijkbaar met die tussen elektronen en roostertrillingen (of fononen) in vaste stoffen, wat aanleiding geeft tot een ander quasideeltje dat bekend staat als een 'polaron'. Vandaar, ze noemden het nieuwe quasideeltje een 'polaronisch trion'.

"De polaronische trion kan worden gevisualiseerd als een Russische theepop, of Matroesjka. Binnen de polaronische trion is een kale trion, waarin zich een exciton bevindt dat zelf is gemaakt van elektronen en gaten, " verklaarde universitair hoofddocent Shaffique Adam, een van de hoofdauteurs van het werk, die van de NUS-afdeling Natuurkunde is, Yale-NUS College en het Centrum voor geavanceerde 2D-materialen (CA2DM).

De betekenis van de polaronische trion

"Trions en excitonen in 2D-materialen zoals MoS ₂ zijn interessant omdat deze licht kunnen absorberen en uitstralen, " zei Dr. Soumya Sarkar, de eerste auteur van de publicatie die afkomstig is van NUSNNI en de NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering. Hij ontdekte dit fenomeen tijdens zijn promotieonderzoek bij prof. Venkatesan.

Hij voegde toe, "Gebruikelijk, fononen hebben energieën die te groot zijn om te koppelen met een trion. Dit is waar de SrTiO ₃ kristal is bijzonder omdat het bij temperaturen onder -120°C een structurele faseovergang ondergaat en aanleiding geeft tot een bepaalde atomaire trilling, de zachte modus."

Deze zachte modus heeft een energie die van dezelfde orde is als die van de kale trion, en maakt een sterke koppeling mogelijk tussen het trion van MoS ₂ en SrTiO ₃ fononen om de nieuwe entiteit te vormen, het 'polaronische trion'. Terwijl normale roostertrillingen afnemen naarmate het kristal bij lage temperaturen bevriest, de zachte modus vibratie, anderzijds, is sterk verbeterd, overeenstemming met de waarnemingen.

Een andere belangrijke eigenschap van dit quasideeltje is zijn gevoeligheid voor elektrische velden. Dr. Sreetosh Goswami van NUSNNI, wie is een van de hoofdauteurs van dit artikel, uitgewerkt, "Wat we hier waarnemen is een interactie tussen veel lichamen en het afstemmen van die interactie met een extern elektrisch veld. Dit is de heilige graal in de fysica van de gecondenseerde materie, en dergelijke voorbeelden zijn vrij zeldzaam."

Hij ging verder, "Voor mij, het meest opwindende deel van deze hele studie is de afstembaarheid van het elektrische veld van polaronische trions door de zachte fononen in SrTiO te manipuleren ₃ . Het vermogen om zijn bindingsenergie met bijna 40 meV af te stemmen met behulp van een spanningsbias is veel meer dan enig ander dat eerder werd gemeld, en vereist slechts een schamele hoeveelheid externe energie."

theoretisch, de koppeling is ongebruikelijk omdat dit de eerste waarneming is van zo'n sterke interfaciale fononkoppeling met roterende fononen. "We hebben een oud resultaat van Feynman en Fröhlich uitgebreid om deze interactie te verklaren. 2D-materialen hebben een sterke wisselwerking met hun omgeving en dit was cruciaal voor deze koppeling, " voegde Dr. Maxim Trushin toe, een theoretisch fysicus bij CA2DM die alle berekeningen in het artikel uitvoerde en het quasideeltjesbeeld voorstelde om het waargenomen fenomeen te verklaren.

Volgende stappen

Dr. Sinu Mathew, die de 2D-materialeninspanning bij NUSNNI onder leiding van Prof Venkatesan heeft geïnitieerd en een belangrijke speler is in dit onderzoek, gaf een breder beeld aan deze ontdekking. Hij zei, "Negentig procent van het onderzoek naar 2D-materialen gebruikt SiO2 of hexagonaal boornitride als substraten. Dat zou geweldig kunnen zijn om de kwantumeigenschappen van 2D-materialen te onderzoeken, maar als u interface-interacties wilt verkennen, oxidesubstraten kunnen veel interessanter zijn omdat ze rijke kwantumfunctionaliteiten hebben. In dit artikel rapporteren we de interactie tussen MoS ₂ en SrTiO ₃ , maar er is nog veel meer ruimte om te verkennen."

Onlangs, er is veel opwinding geweest over op excitonen gebaseerde interconnecties. "De polaronische trion is opgeladen en daarom zou het gemakkelijker zijn om te geleiden met aangelegde spanningen, waardoor het een belangrijke speler op dit gebied is, " concludeerde Prof Venkatesan. "In feite zijn we al begonnen met het observeren van polaronische trions in andere 2D-halfgeleiders en werken we aan het demonstreren van een functioneel apparaat op basis van dit nieuwe quasideeltje."