Het mixen en matchen van computationele modellen van 2D-materialen leidde wetenschappers van Rice University tot het besef dat excitonen - quasideeltjes die bestaan ​​wanneer elektronen en gaten kort binden - op nieuwe en bruikbare manieren kunnen worden gemanipuleerd.

De onderzoekers identificeerden een kleine set 2D-verbindingen met vergelijkbare atomaire roosterdimensies die, wanneer ze samen worden geplaatst, zou excitonen spontaan kunnen vormen. Over het algemeen, excitonen gebeuren wanneer energie van licht of elektriciteit elektronen en gaten in een hogere staat brengt.

Maar in een paar van de combinaties voorspeld door rijstmateriaaltheoreticus Boris Yakobson en zijn team, excitonen werden waargenomen stabiliserend in de grondtoestand van het materiaal. Volgens hun vastberadenheid, deze excitonen in hun laagste energietoestand zouden kunnen condenseren tot een superfluïde fase. De ontdekking is veelbelovend voor elektronische, spintronica en kwantumcomputertoepassingen.

"Het woord 'exciton' betekent dat elektronen en gaten 'opspringen' naar een hogere energie, " zei Yakobson. "Alle koude systemen zitten in hun laagst mogelijke energietoestand, dus er zijn geen excitonen aanwezig. Maar we vonden een realisatie van wat een paradox lijkt, zoals die 60 jaar geleden door Nevill Mott werd bedacht:een materieel systeem waarin excitonen zich kunnen vormen en bestaan ​​in de grondtoestand."

De open access studie van Yakobson, afgestudeerde student Sunny Gupta en onderzoekswetenschapper Alex Kutana, alle Brown School of Engineering van Rice, verschijnt in Natuurcommunicatie .

Na het evalueren van vele duizenden mogelijkheden, het team heeft precies 23 dubbellaagse heterostructuren gemodelleerd, hun lagen worden losjes op één lijn gehouden door zwakke van der Waals-krachten, en berekenden hoe hun bandhiaten uitgelijnd waren wanneer ze naast elkaar werden geplaatst. (Band gaps bepalen de afstand die een elektron moet afleggen om een ​​materiaal zijn halfgeleidende eigenschappen te geven. Perfecte geleiders - metalen of halfmetalen zoals grafeen - hebben geen band gap.)

uiteindelijk, ze produceerden fasediagrammen voor elke combinatie, kaarten waarmee ze konden zien welke het beste potentieel hadden voor experimenteel onderzoek.

"De beste combinaties onderscheiden zich door een roosterparameterovereenkomst en, het belangrijkste, door de speciale posities van de elektronische banden die een gebroken kloof vormen, ook wel type III genoemd, ' zei Yakobson.

handig, de meest robuuste combinaties kunnen worden aangepast door spanning uit te oefenen door middel van spanning, kromming of een extern elektrisch veld, schreven de onderzoekers. Dat zou het mogelijk kunnen maken om de fasetoestand van de excitonen af ​​te stemmen om de "perfecte vloeibare" eigenschappen van een Bose-Einstein-condensaat of een supergeleidend BCS-condensaat aan te nemen.

"In een kwantumcondensaat, bosonische deeltjes bij lage temperaturen nemen een collectieve kwantumgrondtoestand in beslag, "Zei Gupta. "Dat ondersteunt macroscopische kwantumverschijnselen die even opmerkelijk zijn als superfluïditeit en supergeleiding."

"Condensaattoestanden zijn intrigerend omdat ze bizarre kwantumeigenschappen hebben en op alledaagse schaal voorkomen, toegankelijk zonder microscoop, en alleen een lage temperatuur is vereist, " voegde Kutana eraan toe. "Omdat ze zich in de laagst mogelijke energietoestand bevinden en vanwege hun kwantumkarakter, condensaten kunnen geen energie verliezen en gedragen zich als een perfecte wrijvingsloze vloeistof.

"Onderzoekers hebben geprobeerd ze te realiseren in verschillende vaste- en gassystemen, "zei hij. "Dergelijke systemen zijn zeer zeldzaam, dus het hebben van tweedimensionale materialen zou ons zicht op de kwantumwereld enorm vergroten en kansen creëren voor gebruik in nieuwe, geweldige apparaten."

De beste combinaties waren assemblages van heterostructuur dubbellagen van antimoon-tellurium-selenium met bismut-tellurium-chloor; hafnium-stikstof-jodium met zirkonium-stikstof-chloor; en lithium-aluminium-tellurium met bismut-tellurium-jodium.

"Behalve het hebben van vergelijkbare roosterparameters binnen elk paar, de scheikundige composities lijken nogal niet intuïtief, " zei Yakobson. "We zagen geen manier om op het gewenste gedrag te anticiperen zonder de nauwgezette kwantitatieve analyse.

"Je kunt nooit een kans ontkennen om serendipiteit te vinden - zoals Robert Curl zei:Bij scheikunde draait het allemaal om geluk hebben, maar honderdduizenden materiaalcombinaties doorzoeken is in geen enkel laboratorium onrealistisch. theoretisch, echter, het kan gedaan worden."