Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Bewijs dat atomair dun hafniumtelluride een excitonische isolator is

Schematisch diagram van excitoncondensatie en ladingsdichtheidsgolven in monolaag HfTe2 dunne films. Credit:Gao et al.

De condensatie van excitonen met een momentum dat niet nul is, kan aanleiding geven tot zogenaamde ladingsdichtheidsgolven (CDW). Dit fenomeen kan de overgang van materialen naar een fascinerende nieuwe kwantumfase veroorzaken, bekend als een excitonische isolator.



Onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong Universiteit en andere instituten hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd waarin de mogelijkheid werd onderzocht dat deze metaal-isolator-overgang zou kunnen optreden in het atomair dunne semi-metaalachtige HfTe2 . Hun observaties, uiteengezet in Natuurfysica , onthulde mogelijke excitonische CDW- en metaal-isolatorovergangen in het atomair dunne materiaal.

"De vorming van CDW in materialen heeft verschillende mechanismen (bijv. Fermi-oppervlaktenesten, roostervervormingen, enz.) En het uitsluiten van andere CDW-vormingsmechanismen is de sleutel tot het identificeren van het bestaan ​​van een excitonische isolator", zegt Peng Chen, corresponderende auteur van de papier, vertelde Phys.org.

"Ons onderzoeksteam heeft eerder een reeks onderzoeken uitgevoerd naar tweedimensionale overgangsmetaaldichalcogeniden, waaronder TiSe2 en ZrTe2 om dit nieuwe fenomeen te verkennen. Helaas is roostervervorming nog steeds zichtbaar in de berekende fonondispersies, hoewel dit misschien niet de belangrijkste drijvende kracht achter deze materialen is."

Voortbouwend op hun eerdere werk wilden de onderzoekers het bestaan ​​van CDW en een metaal-isolatorovergang onderzoeken in dunne films van een ander materiaal, namelijk HfTe2 . Nadat ze beide verschijnselen met succes hadden waargenomen, voerden ze fononberekeningen uit om hun waarnemingen te valideren.

Fasediagram van de overgangstemperatuur van HfTe2 dunne films met variërende dragerconcentraties. Credit:Gao et al.

Uit deze berekeningen bleek dat enkellaags HfTe2 vertoont geen structurele instabiliteit. Bovendien hebben Raman- en röntgendiffractiemetingen geen significante roostervervormingen aan het licht gebracht, wat sterk bewijs levert voor de elektronische oorsprong van de metaal-isolatorovergang in enkellaags HfTe2 .

"Een opvallend kenmerk van excitoncondensatie is de gevoeligheid voor dragerconcentratie nabij het Fermi-oppervlak", legt Peng uit. "Een klein aantal dragers en een evenwichtige concentratie van zowel n-type als p-type dragers kunnen in principe de excitoncondensatie ten goede komen. We ontdekten dat een kleine hoeveelheid n-type dotering de overgangstemperatuur van enkellaags HfTe aanzienlijk verhoogde 2 , wat anders is dan andere soorten overgangsmechanismen zoals Peierls-type CDW."

De recente bevindingen van Peng en zijn onderzoekers suggereren dat HfTe2 atomair dun is zou de eerste bekende excitonische isolator kunnen zijn in een natuurlijke vaste stof met een puur elektronische overgangsoorsprong. De onderzoekers hebben hun resultaten tot nu toe gevalideerd via verschillende berekeningen en analyses.

ARPES-spectra van HfTe2 dunne films met verschillende diktes en experimenteel bewijs van roosterstabiliteit in monolaagfilms. Credit:Gao et al.

"Door de materiële dimensionaliteit te verlagen, kunnen de screeningseffecten rond het Fermi-niveau worden verminderd, wat de excitoncondensatie ten goede komt", zei Peng. "We hebben met succes enkellaags en meerlaags HfTe2 voorbereid dunne films door moleculaire bundelepitaxie. Hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopiemetingen onthulden een metaal-isolatorovergang wanneer de dikte minder dan drie lagen bedroeg. De top van de valentieband vormde bij lage temperaturen een platte band, waardoor een opening ontstond nabij het Fermi-oppervlak. Bovendien verschenen er gevouwen banden nabij de punt, een typisch kenmerk van CDW-vorming."

De nieuwe excitonische isolator die door dit onderzoeksteam is ontdekt, zou de basis kunnen leggen voor aanvullende studies die zich richten op exotische kwantumeffecten die voortvloeien uit de interactie tussen excitonische isolatietoestanden en andere ordeningen (bijvoorbeeld topologie en spin-gecorreleerde toestanden). In hun toekomstige werk zijn Peng en zijn collega's van plan de kwantumisolatorfase die ze hebben waargenomen verder te onderzoeken, om de onderliggende fysica ervan beter te begrijpen.

"In tegenstelling tot traditionele Cooper-paren in supergeleiders hebben excitonen een grotere bindingsenergie, waardoor ze bevorderlijk zijn voor condensatie bij hogere temperaturen", voegde Peng eraan toe. "Daarom is de studie van excitone isolatoren van groot belang voor het begrijpen van verschijnselen zoals supergeleiding en superfluiditeit bij hoge temperaturen. Omdat de vorming van exciton erg gevoelig is voor het aantal dragers en de bandafstand, kunnen externe stimuli zoals elektrische poorten of spanning worden gebruikt om de dragerconcentratie of bandstructuur en daarmee de ordeparameter van de elektron-gat-coherentie nauwkeurig te controleren."

Meer informatie: Qiang Gao et al., Observatie van mogelijke excitonische ladingsdichtheidsgolven en metaal-isolatorovergangen in atomair dunne halfmetalen, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02349-0

Journaalinformatie: Natuurfysica

© 2024 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Behoefte aan snelheid maakt genoombewerking efficiënt, zo niet beter
  2. Onderzoek naar zeevogels aan de westkust laat zien hoe ze op een dag de lucht zouden kunnen delen met windturbines
  3. Waarom sommige mensen muggenmagneten zijn
  4. Onkruidrijst is herbicideresistent geworden door snelle evolutie
  5. Definitie van celoppervlakte-eiwitten
  6. Studie vindt minder vogeldiversiteit in stadsbossen
  7. Door licht geactiveerd antitumormedicijn zou nieuwe kankerbehandelingen kunnen inspireren die minimale bijwerkingen hebben
  8. Kikker en menselijke bloedcellen vergelijken en identificeren
  9. Wat zijn de 3 meest voorkomende elementen in menselijke lichamen?

Wetenschap