Ny klasse af excitoner med hybriddimensionalitet i lagdelt siliciumdiphosphid

Forskere fra Nanjing University og Beihang University i Kina og Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) i Hamborg, Tyskland, har produceret en ny klasse af exciton med hybrid dimensionalitet ved at konstruere egenskaberne af lagdelt siliciumdiphosphid (SiP₂) . Deres arbejde er blevet udgivet i Nature Materials .

Excitoner er bundne partikler, der består af en negativt ladet elektron og et positivt ladet elektronhul. Deres eksotiske adfærd tilbyder en vigtig ny platform til at studere materialers fysik, når de er koblet til andre stoftilstande, såsom vibrationer i materialets krystalgitter.

Ved hjælp af SiP₂ fremstillede forskere i Kina en ny slags materiale, hvis 2D-lag er bundet af van der Waals-kræfter og har stærke interne kovalente interaktioner. Dette producerer ejendommelige endimensionelle fosforkæder, langs hvilke elektroniske tilstande kan lokaliseres. Holdet formåede derefter at konstruere en ny slags exciton med hybrid dimensionalitet i dette lagdelte materiale, hvilket betyder, at elektronen har en 1D-karakter, og hullet viser 2D-karakteristika. Det er første gang, et sådant fænomen er blevet observeret. Teoretikere ved MPSD bekræftede resultaterne med avancerede simuleringer.

Ved at udsætte materialet for laserlys var forsøgsdeltagerne i stand til at skabe og efterfølgende sondere disse eksitoniske tilstande, som fremstår som toppe i de målte spektre. Især fremkomsten af ​​en ejendommelig sidetop til den excitoniske hovedtop i spektrene viser en tydelig signatur af hybriddimensionalitetsexcitonerne:På grund af deres stærke afhængighed af materialets indre struktur forventes de nyskabte excitoner at interagere stærkt med andre materiale excitationer, såsom gittervibrationer, der ændrer fosforkæderne i SiP₂.

Teorigruppen på MPSD bekræftede efterfølgende disse resultater gennem omfattende analyse ved at bruge state-of-the-art metoder til at undersøge de excitoniske partikler. Deres simuleringer viser, at partiklen består af et positivt ladet hul med 2D-karakter og en negativt ladet elektron, der er lokaliseret langs de 1-dimensionelle fosforkæder, hvilket giver anledning til excitoner med blandet dimensionalitet.

Teoretikerne demonstrerede, at en sådan exciton interagerer stærkt med gittervibrationer, hvilket genererer den eksperimentelt målte sidespidsfunktion. En sådan egenskab er hidtil kun blevet målt i lav-dimensionelle materialer såsom grafen nanorør eller overgangsmetal dicalcogenid monolag, men ikke i et bulk materiale såsom SiP₂.

Dette samarbejde har vist eksistensen af ​​exciton-phonon sidebånd i en 3D bulk krystal såvel som excitoniske tilstande med hybrid dimensionalitet. Med videnskabsmænd, der leder efter nye måder at kontrollere og undersøge interaktionen mellem kvasipartikler såsom excitoner, fononer og andre i faste materialer, repræsenterer disse resultater et vigtigt fremskridt.

"Vores tilgang giver en spændende platform til at studere og konstruere nye tilstande af stof såsom trioner (to elektroner og et hul eller omvendt) og mere komplekse partikler med hybrid dimensionalitet," siger medforfatter Peizhe Tang, professor ved Beihang University og besøger videnskabsmand ved MPSD.

Medforfatter Lukas Windgötter, en ph.d.-studerende i instituttets teorigruppe, tilføjer:"For mig er det spændende, hvordan man kan kontrollere vekselvirkningerne mellem partikler gennem tekniske faste stoffer. Især det at være i stand til at skabe sammensatte partikler med hybrid dimensionalitet åbner veje til undersøge ny fysik." + Udforsk yderligere

Afstembare kvantefælder til excitoner