Forskere opdager usædvanlige kvasipartikler i almindeligt 2-D-materiale

Opdagelsen af ​​en ny kvasipartikel er analog med opdagelsen af ​​et nyt molekyle, bortset fra molekyler indeholder forskellige grundstoffer, mens kvasipartikler er lavet af fundamentale partikler og interaktioner. Da hvert molekyle har sine egne unikke egenskaber, det samme gør kvasipartikler, og opdagelsen af ​​en ny bringer en række mulige teknologiske anvendelser.

En ny kvasipartikel ved navn "polaronisk trion, " opdaget i molybdændisulfid (MoS ₂ ) af et team fra National University of Singapore (NUS), kunne bruges til at designe en optisk modulator til synligt lys, der styres af både temperatur og elektriske felter.

Forskningsindsatsen for dette gennembrud blev ledet af professor T Venky Venkatesan, Direktør for NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI), og blev udgivet i Avancerede materialer den 26. august 2019.

Dannelsen af ​​den nye kvasipartikel

En kvasipartikel er i det væsentlige en komposit dannet på grund af vekselvirkningen mellem elementarpartikler. For eksempel, coulomb-vekselvirkningen mellem modsat ladede partikler, både elektroner og huller, i en halvleder giver anledning til en kvasipartikel, kendt som exciton. "For nylig blev det rapporteret, at i elektronrige halvledere, en ekstra elektron kan binde sig til en exciton og danne en ny kvasipartikel kaldet 'trion', '" delte Prof Venkatesan.

I dette tilfælde, forskerne opdagede, at når et atomisk tyndt lag af MoS ₂ dyrkes på en enkelt krystal af strontiumtitanat (SrTiO ₃ ), den sigtede trion i MoS ₂ kan yderligere interagere med de atomare vibrationer af SrTiO ₃ gitter til at danne en ny kvasipartikel. Arten af ​​denne interaktion ligner den mellem elektroner og gittervibrationer (eller fononer) i faste stoffer, giver anledning til en anden kvasipartikel kendt som en 'polaron'. Derfor, de døbte den nye kvasipartikel en 'polaronisk trion'.

"Den polaroniske trion kan visualiseres som en russisk tedukke, eller Matryoshka. Inde i den polaroniske trion er en bar trion, indeni som er en exciton, der selv er lavet af elektroner og huller, " forklarede lektor Shaffique Adam, en af ​​værkets hovedforfattere, som er fra NUS Institut for Fysik, Yale-NUS College og Center for Advanced 2-D Materials (CA2DM).

Betydningen af ​​den polaroniske trion

"Trioner og excitoner i 2D-materialer som MoS ₂ er interessante, fordi disse kan absorbere og udsende lys, " sagde Dr. Soumya Sarkar, den første forfatter til publikationen, som er fra NUSNNI og NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering. Han opdagede dette fænomen under sin doktorgradsforskning under Prof Venkatesan.

Han tilføjede, "Som regel, fononer har energier, der er for store til at kunne kobles sammen med en trion. Det er her SrTiO ₃ krystal er speciel, fordi den gennemgår en strukturel faseovergang ved temperaturer under -120°C og giver anledning til en bestemt atomvibration, den bløde tilstand."

Denne bløde tilstand har en energi, der er af samme størrelsesorden som den for den bare trion, og muliggør en stærk kobling mellem trionen af ​​MoS ₂ og SrTiO ₃ fononer for at danne den nye enhed, "polaronisk trion." Mens normale gittervibrationer falder, når krystallen fryser ved lave temperaturer, den bløde tilstand vibration, på den anden side, er stærkt forbedret, i overensstemmelse med observationerne.

En anden vigtig egenskab ved denne kvasipartikel er dens følsomhed over for elektriske felter. Dr. Sreetosh Goswami fra NUSNNI, som er en af ​​hovedforfatterne af dette papir, uddybet, "Det, vi observerer her, er en interaktion med mange legemer og justering af denne interaktion med et eksternt elektrisk felt. Dette er den hellige gral i fysik af kondenseret stof, og sådanne eksempler er ret sjældne."

Han fortsatte, "For mig, den mest spændende del af hele denne undersøgelse er den elektriske feltindstilling af polaroniske trioner ved at manipulere de bløde fononer i SrTiO ₃ . Evnen til at indstille sin bindingsenergi med næsten 40 meV ved hjælp af en spændingsforspænding er meget mere end nogen anden, der tidligere blev rapporteret, og kræver kun en ringe mængde ekstern energi."

Teoretisk set, koblingen er usædvanlig, da dette er den første observation af en så stærk grænsefladefononkobling, der involverer roterende fononer. "Vi har udvidet et gammelt resultat af Feynman og Fröhlich for at forklare denne interaktion. Faktisk, 2-D materialer interagerer stærkt med deres omgivelser, og dette var afgørende for denne kobling, " tilføjede Dr. Maxim Trushin, en teoretisk fysiker ved CA2DM, som udførte alle de beregninger, der er inkluderet i papiret, og foreslog kvasipartikelbilledet for at forklare det observerede fænomen.

Næste skridt

Dr. Sinu Mathew, som startede 2-D materialeindsatsen på NUSNNI under Prof Venkatesan og er en nøglespiller i denne forskning, gav et bredere billede til denne opdagelse. Han sagde, "90 procent af forskningen i 2-D-materialer bruger SiO2 eller hexagonal bornitrid som substrater. Det kunne være fantastisk til at udforske kvanteegenskaber af 2-D-materialer, men hvis du vil udforske grænsefladeinteraktioner, oxidsubstrater kan være langt mere interessante, da de har rige kvantefunktioner. I dette papir rapporterer vi samspillet mellem MoS ₂ og SrTiO ₃ , men der er meget mere plads at udforske."

For nylig, der har været en masse spænding vedrørende exciton-baserede sammenkoblinger. "Den polaroniske trion er opladet, og derfor ville det være lettere at styre med påførte spændinger, derved gøre det til en nøglespiller på dette område, " konkluderede Prof Venkatesan. "Faktisk er vi allerede begyndt at observere polaroniske trioner i andre 2-D halvledere og arbejder på at demonstrere en funktionel enhed baseret på denne nye kvasipartikel."