Excitoniske isolatorer:Eksperimentel observation af en ny klasse materialer

Et samarbejde fra University of Wollongong / Monash University har fundet tegn på en ny fase af materie, der blev forudsagt i 1960'erne:den excitoniske isolator.

De unikke signaturer af en excitonisk isolerende fase blev observeret i antimon Sb (110) nanoflakes.

Resultaterne giver en ny strategi til at søge efter mere excitoniske isolatorer, som potentielt er i stand til at transportere exciton -superfluider, og yderligere undersøgelser vil være nødvendige for fuldt ud at forstå den rige fysik i denne nye stoffase.

Baggrund

"Opdagelsen af ​​nye faser af stof er et af hovedmålene med kondenseret fysik og er vigtigt for at udvikle nye teknologier til lavenergi -elektronik, som er hovedmålet for ARC -centret i FLEET, "siger prof Xiaolin Wang (UOW).

"I 1960'erne, det blev foreslået, at i små indirekte båndgabsmaterialer, excitoner kan spontant dannes, fordi tætheden af ​​bærere er for lav til at screene den attraktive Coulomb -interaktion mellem elektroner og huller. "sagde Dr. Zhi Li, den første forfatter og i øjeblikket FLEET AI og en ARC DECRA-kollega, der er co-mentor af prof Wang og prof Fuhrer.

Resultatet er en ny stærkt interagerende isoleringsfase kendt som en excitonisk isolator.

I isolatorfamilien, det første medlem er bandgapet, 'eller' triviel 'isolator.

Udover bandgapisolatorer, andre isolerende tilstande kan opstå gennem virkningerne af elektron-elektron-interaktioner eller lidelse kombineret med kvanteinterferens, for eksempel:

• Anderson isolatorer, hvor elektroner er lokaliseret ved kvanteinterferens
• Topologiske isolatorer, som har et hul i massen, men uden ledningstilstande ved overfladen/kanten på grund af båndinversion.

Den excitoniske isolator, en ny fase af stoffet i det kritiske overgangspunkt mellem isolator og metal blev foreslået i 1960'erne af mange pionerer inden for kondenseret fysik.

I en excitonisk isolator, bosoniske partikler frem for elektroner bestemmer de fysiske egenskaber.

Excitoniske isolatorer er blevet forudsagt at rumme mange nye egenskaber, herunder krystalliseret excitonium, superfluiditet og excitonisk høj temperatur superledning, og gennembrud med at finde denne nye klasse af isolatorer har tiltrukket stor opmærksomhed blandt kondenserede fysikere og todimensionale materialeforskere.

Studiet

Forskergruppen benyttede scanning af tunnelmikroskopi (STM) og spektroskopi (STS) for at vise, at den forbedrede Coulomb-interaktion i kvantebegrænsede elementære antimon-nanoflakes driver systemet til den excitoniske isolatortilstand.

Den unikke egenskab ved den excitoniske isolator, en ladningstæthedsbølge (CDW) uden periodisk gitterforvrængning, blev observeret direkte. Desuden, STS viser et hul induceret af CDW nær Fermi -overfladen.

Disse observationer antyder, at antimon (Sb (110)) nanoflake er en excitonisk isolator.

"Mulig excitonisk isolerende fase i kvanteconfektionerede Sb Nanoflakes" blev offentliggjort i Nano bogstaver i juli 2019.

Teorien

Excitons, som er bosoniske, stærkt bundne elektronpar og huller, dannes gennem den attraktive elektronhuls Coulomb -interaktion, at sænke systemenergien med værdien af ​​bindingsenergien (Eb).

Hvis sådanne excitoner spontant kunne dannes, så ville resultatet være en excitonisk isolatorfase.

I halvledere eller isolatorer, dannelsen af ​​en exciton kræver overvindelse af båndgabsenergien F.eks. nødvendig for at skabe et elektronhulspar. Den spontane dannelse af excitoner kræver, at Eb> F.eks. Imidlertid, F.eks. Er den normalt meget større end Eb i halvledere og isolatorer, forhindrer spontan excitondannelse.

I dette arbejde, forskerne udnyttede den stærke Coulomb -interaktion i meget tynde materialer til at fremme den excitoniske isolatorfase i antimon.

Tidligere arbejde

Indtil nu, mange materialer, der viser CDW, er blevet identificeret som kandidat for excitoniske isolatorer.

Desværre, disse kandidat -excitoniske isolatorer viser stærk periodisk gitterforvrængning (PLD), indikerer CDW blev drevet af elektron-fonon kobling snarere end af excitoniske isolator tilstande.

Den nye undersøgelse giver solid dokumentation for den excitoniske isolatorfase i antimon -nanoflakes ved observation af CDW uden PLD.