Onderzoekers van Nanjing University en Beihang University in China en het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg, Duitsland, hebben een nieuwe klasse van excitonen met hybride dimensionaliteit geproduceerd door de eigenschappen van gelaagd siliciumdifosfide (SiP₂) te ontwikkelen. . Hun werk is gepubliceerd in Nature Materials .

Excitonen zijn gebonden deeltjes die bestaan ​​uit een negatief geladen elektron en een positief geladen elektrongat. Hun exotische gedrag biedt een belangrijk nieuw platform om de fysica van materialen te bestuderen wanneer ze gekoppeld zijn aan andere toestanden van materie, zoals trillingen van het kristalrooster van het materiaal.

Met behulp van SiP₂ hebben onderzoekers in China een nieuw soort materiaal gefabriceerd waarvan de 2D-lagen zijn gebonden door van der Waals-krachten en sterke interne covalente interacties vertonen. Dit produceert eigenaardige eendimensionale fosforketens waarlangs elektronische toestanden kunnen lokaliseren. Het team slaagde er vervolgens in om een ​​nieuw soort exciton met hybride dimensionaliteit in dit gelaagde materiaal te ontwikkelen, wat betekent dat het elektron een 1D-karakter heeft en het gat 2D-kenmerken vertoont. Dit is de eerste keer dat een dergelijk fenomeen is waargenomen. Theoretici van de MPSD bevestigden de bevindingen met geavanceerde simulaties.

Door het materiaal bloot te stellen aan laserlicht, waren de onderzoekers in staat om deze exitonische toestanden, die verschijnen als pieken in de gemeten spectra, te creëren en vervolgens te onderzoeken. In het bijzonder toont de opkomst van een eigenaardige zijpiek aan de belangrijkste excitonische piek in de spectra een duidelijke signatuur van de hybride dimensionaliteit-excitonen:vanwege hun sterke afhankelijkheid van de interne structuur van het materiaal, wordt verwacht dat de nieuw gecreëerde excitonen sterk interageren met andere materiële excitaties, zoals roostertrillingen die de fosforketens in SiP₂ veranderen.

De theoriegroep van de MPSD bevestigde deze bevindingen vervolgens door middel van uitgebreide analyses, met behulp van state-of-the-art methoden om de excitonische deeltjes te onderzoeken. Hun simulaties laten zien dat het deeltje bestaat uit een positief geladen gat met 2D-karakter en een negatief geladen elektron dat is gelokaliseerd langs de 1-dimensionale fosforketens, waardoor excitonen met gemengde dimensionaliteit ontstaan.

De theoretici toonden aan dat een dergelijk exciton sterk interageert met roostertrillingen, wat het experimenteel gemeten zijpiekkenmerk genereert. Een dergelijk kenmerk is tot nu toe alleen gemeten in laagdimensionale materialen zoals grafeen nanobuizen of overgangsmetaal dichalcogenide monolagen, maar niet in een bulkmateriaal zoals SiP₂.

Deze samenwerking heeft het bestaan ​​aangetoond van exciton-phonon zijbanden in een 3D bulkkristal, evenals excitonische toestanden met hybride dimensionaliteit. Nu wetenschappers op zoek zijn naar nieuwe manieren om de interacties tussen quasi-deeltjes zoals excitonen, fononen en andere in vaste materialen te controleren en te onderzoeken, betekenen deze bevindingen een belangrijke vooruitgang.

"Onze aanpak biedt een intrigerend platform voor het bestuderen en ontwikkelen van nieuwe toestanden van materie, zoals trions (twee elektronen en één gat of vice versa) en complexere deeltjes met hybride dimensionaliteit", zegt co-auteur Peizhe Tang, professor aan de Beihang University en bezoekende wetenschapper bij de MPSD.

Collega-co-auteur Lukas Windgätter, een doctoraatsstudent in de Theory-groep van het Instituut, voegt toe:"Voor mij is het intrigerend hoe men de interacties van deeltjes kan controleren door middel van technische vaste stoffen. Vooral het kunnen creëren van composietdeeltjes met hybride dimensionaliteit opent wegen naar nieuwe natuurkunde onderzoeken." + Verder verkennen

Afstembare kwantumvallen voor excitonen