Forudsigelse af høj temperatur Bose-Einstein-kondensering af excitoner

Forskere fra National University of Singapore har forudsagt, at en eksotisk stoftilstand kendt som et Bose-Einstein-kondensat kan eksistere ved relativt høje temperaturer (omkring 50 K til 100 K) i systemer, der omfatter organiske molekyler på todimensionelle (2D) halvledende materialer.

Et Bose-Einstein-kondensat er en stoftilstand, hvor alle partikler har samme energi og er fuldstændig koordinerede. Fra et fysisk synspunkt klumper disse partikler sig sammen og begynder at opføre sig, som om de er en del af en enkelt større partikel. Nobelprisen i fysik i 2001 blev tildelt for realiseringen af ​​Bose-Einstein-kondensering. Dette fænomenale gennembrud blev først opnået i en samling af rubidium-atomer ved en ultralav temperatur på 20 nK. Denne kontrol af materiens tilstand forventes at føre til teknologiske gennembrud og muliggør også realisering af superfluiditet.

I dette arbejde forudsagde prof Quek Su Ying fra Institut for Fysik, National University of Singapore og hendes postdoc-stipendiat, Dr. Ulman Kanchan, at Bose-Einstein-kondensering (BEC) kan finde sted ved omkring 50 K til 100 K i organisk 2D materialesystemer (se figur) gennem deres beregning. Denne BEC-temperatur er størrelsesordener højere end den, der tidligere er opnået ved brug af atomer. Partiklerne, der kondenserer i de organiske-2D materialesystemer, er bundne elektron-hul-par (excitoner), der induceres i systemet gennem bestråling med lys. Elektronen befinder sig i 2D-halvlederen (molybdændisulfid, MoS₂ ) og hullet i det organiske molekyle (zinkphthalocyanin, ZnPc), i det, der kaldes en "ladningsoverførselsexciton". Den rumlige adskillelse mellem elektronen og hullet, sammen med den stærkt bundne natur af excitonerne i disse lavdimensionelle materialer, resulterer i lange excitonlevetider, som er kritiske for at BEC kan finde sted. Det er afgørende, at den forudsagte BEC-temperatur er meget højere end i atomer. Dette skyldes, at BEC-temperaturen er omvendt proportional med partikelmassen, og excitonmassen er meget mindre end typiske atommasser.

Forud for denne forudsigelse blev BEC af ladningsoverførselsexcitoner observeret ved omkring 100 K i dobbeltlag af 2D-materialer. En praktisk vanskelighed ved realiseringen af ​​BEC i disse systemer var imidlertid behovet for omhyggelig justering af de to materialelag. Fejljusterede dobbeltlag er vært for excitoner med stort momentum, som hindrer dannelsen af ​​kondensatet. I tilfælde af organiske 2D-materialesystemer indebærer den smalle båndbredde af de molekylære tilstande, at ladningsoverførselsexcitonerne har meget lille momentum, hvilket favoriserer BEC-dannelse.

Prof Quek sagde:"Organiske molekyler såsom overgangsmetalphthalocyaniner danner let ordnede, selvsamlede monolag på 2D-materialer. Forudsigelsen af ​​højtemperatur BEC af excitoner i organiske 2D-materialesystemer forventes at føre til mere praktiske erkendelser af denne eksotiske tilstand af stof og baner vejen for studiet af spændende applikationer relateret til Bose-Einstein-kondensater." + Udforsk yderligere

Spontan Bose-Einstein-kondensering af excitoner