Excitoner danner superfluid i visse 2-D-kombinationer

Blanding og matchning af beregningsmodeller af 2-D-materialer førte forskere ved Rice University til erkendelsen af, at excitoner-kvasipartikler, der eksisterer, når elektroner og huller kortvarigt binder-kan manipuleres på nye og nyttige måder.

Forskerne identificerede et lille sæt 2-D-forbindelser med lignende atomgitterdimensioner, der, når de placeres sammen, ville tillade excitoner at danne sig spontant. Generelt, excitoner sker, når energi fra lys eller elektricitet øger elektroner og huller til en højere tilstand.

Men i et par af de kombinationer, der forudsiges af rismaterialteoretikeren Boris Yakobson og hans team, excitoner blev observeret stabiliserende ved materialernes grundtilstand. Ifølge deres beslutsomhed, disse excitoner ved deres laveste energitilstand kunne kondensere til en superflydende fase. Opdagelsen viser løfte om elektronisk, spintronic og quantum computing applikationer.

"Selve ordet 'exciton' betyder, at elektroner og huller 'hopper op' til en højere energi, "Sagde Yakobson." Alle kolde systemer sidder i deres lavest mulige energitilstande, så der er ingen excitoner til stede. Men vi fandt en erkendelse af, hvad der synes at være et paradoks som opfattet af Nevill Mott for 60 år siden:et materielt system, hvor excitoner kan dannes og eksistere i grundtilstanden. "

Open-access undersøgelsen af ​​Yakobson, kandidatstuderende Sunny Gupta og forsker Alex Kutana, alle Rice's Brown School of Engineering, vises i Naturkommunikation .

Efter at have vurderet mange tusinde muligheder, holdet præcist modellerede 23 dobbeltlags heterostrukturer, deres lag løst holdt i overensstemmelse med svage van der Waals kræfter, og beregnet, hvordan deres båndgab blev justeret, når de blev placeret ved siden af ​​hinanden. (Båndgab definerer den afstand, en elektron skal springe for at give et materiale dets halvledende egenskaber. Perfekte ledere - metaller eller halvmetaller som grafen - har ingen båndgab.)

Ultimativt, de lavede fasediagrammer for hver kombination, kort, der tillod dem at se, hvilke der havde det bedste potentiale for eksperimentel undersøgelse.

"De bedste kombinationer kendetegnes ved et gitterparametermatch og, mest vigtigt, ved de særlige positioner af de elektroniske bånd, der danner et brudt hul, også kaldet type III, "Sagde Yakobson.

Praktisk, de mest robuste kombinationer kan justeres ved at påføre stress gennem spændinger, krumning eller et eksternt elektrisk felt forskerne skrev. Det kunne gøre det muligt at indstille excitonernes fasetilstand for at tage de "perfekte væske" egenskaber ved et Bose-Einstein-kondensat eller et superledende BCS-kondensat.

"I et kvantkondensat, bosoniske partikler ved lave temperaturer optager en kollektiv kvantejordtilstand, "Sagde Gupta." Det understøtter makroskopiske kvantefænomener lige så bemærkelsesværdige som superfluiditet og superledelse. "

"Kondensatstater er spændende, fordi de besidder bizarre kvanteegenskaber og eksisterer i dagligdagen, tilgængelig uden et mikroskop, og kun lav temperatur er påkrævet, "Tilføjede Kutana." Fordi de er i den lavest mulige energitilstand og på grund af deres kvantekarakter, kondensater kan ikke miste energi og opføre sig som en perfekt friktionsfri væske.

"Forskere har søgt at realisere dem i forskellige fast- og gassystemer, "sagde han." Sådanne systemer er meget sjældne, så at have todimensionelle materialer blandt dem ville i høj grad udvide vores vindue ind i kvanteverdenen og skabe muligheder for brug i nye, fantastiske enheder. "

De bedste kombinationer var samlinger af heterostrukturede dobbeltlag af antimon-tellur-selen med vismut-tellur-chlor; hafnium-nitrogen-jod med zirconium-nitrogen-chlor; og lithium-aluminium-tellur med vismut-tellur-jod.

"Bortset fra at have lignende gitterparametre inden for hvert par, kemikompositionerne virker temmelig ikke -intuitive, "Sagde Yakobson." Vi så ingen måde at forudse den ønskede adfærd uden den omhyggelige kvantitative analyse.

"Man kan aldrig nægte en chance for at finde serendipitet - som Robert Curl sagde, kemi handler om at være heldig - men at gennemse hundredtusinder af materialekombinationer er urealistisk i ethvert laboratorium. Teoretisk set imidlertid, det kan lade sig gøre. "