Een samenwerking tussen de University of Wollongong en de Monash University heeft bewijs gevonden voor een nieuwe fase van materie die in de jaren zestig werd voorspeld:de excitonische isolator.

De unieke kenmerken van een excitonische isolerende fase werden waargenomen in antimoon Sb (110) nanovlokken.

De bevindingen bieden een nieuwe strategie om te zoeken naar meer exciton-isolatoren die mogelijk in staat zijn om exciton-superfluïden te dragen, en verdere studies zullen nodig zijn om de rijke fysica van deze nieuwe fase van materie volledig te begrijpen.

Achtergrond

"De ontdekking van nieuwe fasen van materie is een van de belangrijkste doelen van de fysica van de gecondenseerde materie en is belangrijk voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor energiezuinige elektronica, wat het hoofddoel is van het ARC-centrum in FLEET, " zegt Prof Xiaolin Wang (UOW).

"In de jaren 1960, werd voorgesteld dat in materialen met kleine indirecte bandgap, excitonen kunnen zich spontaan vormen omdat de dichtheid van dragers te laag is om de aantrekkelijke Coulomb-interactie tussen elektronen en gaten te screenen", aldus Dr. Zhi Li, de eerste auteur en momenteel FLEET AI en een ARC DECRA fellow co-mentored door Prof Wang en Prof Fuhrer.

Het resultaat is een nieuwe sterk interagerende isolerende fase die bekend staat als een excitonische isolator.

In de isolatorfamilie, het eerste lid is de bandgap, 'of 'triviale' isolator.

Naast bandgap-isolatoren, andere isolerende toestanden kunnen ontstaan ​​door de effecten van elektron-elektron-interacties of wanorde in combinatie met kwantuminterferentie, bijvoorbeeld:

• Anderson isolatoren, waarin elektronen worden gelokaliseerd door kwantuminterferentie
• Topologische isolatoren, die een opening in de bulk hebben maar een gapless geleidende toestand aan het oppervlak / de rand hebben als gevolg van bandinversie.

De excitonische isolator, een nieuwe fase van materie in het kritieke overgangspunt tussen isolator en metaal werd in de jaren zestig voorgesteld door vele pioniers in de fysica van de gecondenseerde materie.

In een excitonische isolator, bosonische deeltjes in plaats van elektronen bepalen de fysische eigenschappen.

Er is voorspeld dat excitonische isolatoren veel nieuwe eigenschappen bevatten, inclusief gekristalliseerd excitonium, superfluïditeit en excitonische supergeleiding bij hoge temperatuur, en doorbraken bij het vinden van deze nieuwe klasse van isolatoren hebben veel aandacht getrokken onder fysici van gecondenseerde materie en tweedimensionale materiaalwetenschappers.

De studie

Het onderzoeksteam gebruikte scanning tunneling microscopie (STM) en spectroscopie (STS) om aan te tonen dat de verbeterde Coulomb-interactie in kwantumbegrensde elementaire antimoon-nanovlokken het systeem naar de excitonische isolatortoestand drijft.

Het unieke kenmerk van de excitonische isolator, een ladingsdichtheidsgolf (CDW) zonder periodieke roostervervorming, direct werd waargenomen. Verder, STS toont een opening veroorzaakt door de CDW nabij het Fermi-oppervlak.

Deze waarnemingen suggereren dat de antimoon (Sb(110)) nanovlok een excitonische isolator is.

"Possible Excitonic Insulating Phase in Quantum-Confined Sb Nanoflakes" werd gepubliceerd in Nano-letters in juli 2019.

De theorie

opwinding, die bosonisch zijn, sterk gebonden elektronenparen en gaten, worden gevormd door de aantrekkelijke elektron-gat Coulomb-interactie, het verlagen van de systeemenergie met de waarde van de bindingsenergie (Eb).

Als zulke excitonen zich spontaan zouden kunnen vormen, dan zou het resultaat een excitonische isolatorfase zijn.

In halfgeleiders of isolatoren, de vorming van een exciton vereist het overwinnen van de bandgap-energie Eg die nodig is om een ​​elektron-gatpaar te creëren. De spontane vorming van excitonen vereist dat Eb> bijv. Echter, Bv is meestal veel groter dan Eb in halfgeleiders en isolatoren, het voorkomen van spontane excitonvorming.

In dit werk, de onderzoekers maakten gebruik van de sterke Coulomb-interactie in zeer dunne materialen om de excitonische isolatorfase in antimoon te bevorderen.

Vorig werk

Tot nu toe, veel materialen die CDW vertonen, zijn geïdentificeerd als de kandidaat van excitonische isolatoren.

Helaas, deze kandidaat-excitonische isolatoren vertonen sterke periodieke roostervervorming (PLD), wat aangeeft dat CDW werd aangedreven door elektron-fononkoppeling in plaats van door excitonische isolatortoestanden.

De nieuwe studie levert solide bewijs van de excitonische isolatorfase in antimoon-nanovlokken door de waarneming van CDW zonder PLD.