Bevis på, at atomisk tyndt hafniumtellurid er en excitonisk isolator
Kondensationen af excitoner med ikke-nul momentum kan give anledning til såkaldte ladningsdensitetsbølger (CDW). Dette fænomen kan foranledige overgangen af materialer til en fascinerende ny kvantefase, kendt som en excitonisk isolator.
Forskere ved Shanghai Jiao Tong University og andre institutter udførte for nylig en undersøgelse, der udforskede muligheden for, at denne metal-isolator-overgang kunne forekomme i det atomisk tynde semi-metalliske HfTe2 . Deres observationer, beskrevet i Nature Physics , afslørede mulige excitoniske CDW- og metalisolatorovergange i det atomisk tynde materiale.
"Danningen af CDW i materialer har forskellige mekanismer (f.eks. Fermi-overfladeindlejring, gitterforvrængninger osv.), og udelukkelse af andre CDW-dannelsesmekanismer er nøglen til at identificere eksistensen af en excitonisk isolator," Peng Chen, tilsvarende forfatter til papir, fortalte Phys.org.
"Vores forskerhold har tidligere udført en række undersøgelser af todimensionelle overgangsmetal dichalcogenider inklusive TiSe2 og ZrTe2 at udforske dette nye fænomen. Desværre er gitterforvrængning stadig påvist i de beregnede fononspredninger, selvom det måske ikke er den vigtigste drivkraft i disse materialer."
Med udgangspunkt i deres tidligere værker satte forskerne sig for at undersøge eksistensen af CDW og en metalisolatorovergang i tynde film af et andet materiale, nemlig HfTe2 . Efter at have observeret begge disse fænomener, udførte de fononberegninger for at validere deres observationer.
Disse beregninger viste, at enkeltlags HfTe2 udviser ikke strukturel ustabilitet. Derudover afslørede Raman- og røntgendiffraktionsmålinger ikke nogen signifikante gitterforvrængninger, hvilket giver stærke beviser for den elektroniske oprindelse af metalisolatorovergangen i enkeltlags HfTe2 .
"Et bemærkelsesværdigt træk ved excitonkondensering er følsomheden over for bærerkoncentration nær Fermi-overfladen," forklarede Peng. "Et lille antal bærere og afbalanceret koncentration af både n-type og p-type bærere kan i princippet gavne excitonkondensationen. Vi fandt ud af, at en lille mængde n-type doping signifikant øgede overgangstemperaturen for enkeltlags HfTe2 , som er forskellig fra andre typer overgangsmekanismer som Peierls-type CDW."
De nylige resultater indsamlet af Peng og hans forskere tyder på, at atomisk tynde HfTe2 kunne være den første kendte excitoniske isolator i et naturligt fast stof med en rent elektronisk overgangsoprindelse. Forskerne har indtil videre valideret deres resultater via forskellige beregninger og analyser.
"Ved at sænke materialets dimensionalitet kan screeningseffekterne omkring Fermi-niveauet reduceres, hvilket gavner excitonkondensationen," sagde Peng. "Vi har med succes forberedt enkelt- og flerlags HfTe2 tynde film ved molekylær stråleepitaksi. Vinkelopløste fotoemissionsspektroskopi-målinger afslørede en metal-isolator-overgang, når tykkelsen var mindre end tre lag. Valensbåndets top dannede et fladt bånd ved lave temperaturer, der åbnede et hul nær Fermi-overfladen. Derudover dukkede foldede bånd op i nærheden af punktet, et typisk træk ved CDW-dannelse."
Den nye excitoniske isolator, der blev afsløret af dette forskerhold, kunne lægge grundlaget for yderligere undersøgelser med fokus på eksotiske kvanteeffekter, der stammer fra interaktion mellem excitoniske isolerende tilstande og andre ordener (f.eks. topologi og spin-korrelerede tilstande). I deres fremtidige arbejde planlægger Peng og hans kolleger at undersøge den kvanteisolatorfase, de observerede yderligere, for bedre at forstå dens underliggende fysik.
"I modsætning til traditionelle Cooper-par i superledere har excitoner en større bindingsenergi, hvilket gør dem befordrende for kondensering ved højere temperaturer," tilføjede Peng. "Derfor er studiet af excitoniske isolatorer af stor betydning for forståelsen af fænomener som højtemperatur-superledning og superfluiditet. Da dannelsen af exciton er meget følsom over for antallet af bærere og båndgab, kan eksterne stimuli såsom elektrisk gating eller belastning bruges til nænsomt at kontrollere bærerkoncentrationen eller båndstrukturen og dermed ordensparameteren for elektron-hul-kohærensen."
Flere oplysninger: Qiang Gao et al., Observation af mulige excitoniske ladningstæthedsbølger og metal-isolator-overgange i atomisk tynde halvmetaller, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02349-0
Journaloplysninger: Naturfysik
© 2024 Science X Network
Varme artikler
-
Forskere foreslår lithium til at klare højrisikotilstande i fremtidige fusionsfaciliteterFysikerne Masa Ono og Roger Raman med hurtige kamera-fotos af påføring af flydende lithium bag dem. Kredit:Elle Starkman/Kommunikationskontoret Den måske største teknologiske udfordring for at høs -
Kvantesensorer tyder magnetisk orden i et nyt halvledende materialeEt individuelt elektron -spin i en kvantesensor reagerer på magnetfeltet i en tynd film af vismutferrit. Ændringen i centrifugering registreres via et lyssignal og bruges til at skabe et billede af ma -
Gør uden mørk energi:Matematikere foreslår en alternativ forklaring på kosmisk accelerationMørk energi, ”En mystisk kraft, der modvirker tyngdekraften, er blevet foreslået at forklare, hvorfor universet ekspanderer i en accelererende hastighed. Matematikere ved UC Davis og University of Mic -
Ny teknik foreslået for at gøre objekter usynligeInteraktion af lys med en hul kugle af silicium (A) og med den samme kugle fyldt med en potion sammensat af tre forskellige lag (B). Kredit:UEx I de seneste år, usynlighed er blevet et område med