La nueva cuasipartícula denominada "trión polarónico" fue descubierta por un equipo dirigido por el profesor T.Venky Venkatesan (fila de atrás, primero desde la izquierda) de NUSNNI. Su equipo incluye (fila de atrás, desde la izquierda) Profesora adjunta Shaffique Adam, Dr. Soumya Sarkar, Dr. Sreetosh Goswami, (sentado, desde la izquierda) Dr. Maxim Trushin, Dr. Sinu Mathew, así como otros seis investigadores. Crédito:Universidad Nacional de Singapur
El descubrimiento de una nueva cuasipartícula es análogo al descubrimiento de una nueva molécula, excepto que las moléculas contienen diferentes elementos, mientras que las cuasipartículas están hechas de partículas e interacciones fundamentales. Como cada molécula tiene sus propias propiedades únicas, también lo hacen las cuasipartículas, y el descubrimiento de uno nuevo trae una gama de posibles aplicaciones tecnológicas.
Una nueva cuasipartícula denominada "trión polarónico, "descubierto en el bisulfuro de molibdeno (MoS 2 ) por un equipo de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), podría usarse para diseñar un modulador óptico de luz visible que esté controlado tanto por la temperatura como por los campos eléctricos.
El esfuerzo de investigación para este avance fue dirigido por el profesor T Venky Venkatesan, Director del Instituto NUS de Nanociencia y Nanotecnología (NUSNNI), y fue publicado en Materiales avanzados el 26 de agosto de 2019.
La formación de la nueva cuasipartícula.
Una cuasipartícula es esencialmente un compuesto formado debido a la interacción de partículas elementales. Por ejemplo, la interacción de culombio entre partículas con carga opuesta, tanto electrones como huecos, en un semiconductor da lugar a una cuasipartícula, conocido como el excitón. "Recientemente se informó que en semiconductores ricos en electrones, un electrón extra puede unirse a un excitón para formar una nueva cuasipartícula llamada 'trión, '", compartió el profesor Venkatesan.
En este caso, los investigadores descubrieron que cuando una capa atómicamente delgada de MoS 2 se cultiva en un solo cristal de titanato de estroncio (SrTiO 3 ), el trion cargado en MoS 2 puede interactuar aún más con las vibraciones atómicas del SrTiO 3 celosía para formar una nueva cuasipartícula. La naturaleza de esta interacción es similar a la que existe entre electrones y vibraciones reticulares (o fonones) en sólidos, dando lugar a otra cuasipartícula conocida como 'polarón'. Por eso, llamaron a la nueva cuasipartícula un "trión polarónico".
"El trion polarónico se puede visualizar como una muñeca rusa de té, o Matryoshka. Dentro del trion polarónico hay un trion desnudo, dentro del cual hay un excitón que a su vez está hecho de electrones y huecos, "explicó la profesora asociada Shaffique Adam, uno de los autores principales del trabajo, que es del Departamento de Física de NUS, Yale-NUS College y el Centro de materiales avanzados en 2-D (CA2DM).
El significado del trion polarónico
"Triones y excitones en materiales 2-D como MoS 2 son interesantes porque pueden absorber y emitir luz, "dijo el Dr. Soumya Sarkar, el primer autor de la publicación que es de NUSNNI y NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering. Descubrió este fenómeno durante su investigación doctoral con el profesor Venkatesan.
Él agregó, "Generalmente, Los fonones tienen energías que son demasiado grandes para acoplarse con un trión. Aquí es donde el SrTiO 3 El cristal es especial porque sufre una transición de fase estructural a temperaturas inferiores a -120 ° C y da lugar a una vibración atómica particular, el modo suave ".
Este modo suave tiene una energía que es del mismo orden que la del trion desnudo, y permite un fuerte acoplamiento entre el trion de MoS 2 y SrTiO 3 fonones para formar la nueva entidad, el "trión polarónico". Mientras que las vibraciones de la red normal disminuyen a medida que el cristal se congela a bajas temperaturas, la vibración del modo suave, por otra parte, está muy mejorado, coherente con las observaciones.
Otra propiedad importante de esta cuasipartícula es su sensibilidad a los campos eléctricos. Dr. Sreetosh Goswami de NUSNNI, quien es uno de los autores principales de este artículo, elaborado, "Lo que estamos observando aquí es una interacción de muchos cuerpos y sintonizar esa interacción con un campo eléctrico externo. Este es el Santo Grial en la física de la materia condensada, y esos ejemplos son bastante raros ".
Él continuó, "Para mi, La parte más emocionante de todo este estudio es la sintonización del campo eléctrico de triones polarónicos mediante la manipulación de fonones suaves en SrTiO. 3 . La capacidad de ajustar su energía de enlace en casi 40 meV utilizando una polarización de voltaje es mucho más que cualquier otra que se informó anteriormente. y requiere sólo una escasa cantidad de energía externa ".
Teóricamente el acoplamiento es inusual ya que esta es la primera observación de un acoplamiento de fonones interfacial tan fuerte que involucra fonones rotacionales. "Hemos ampliado un resultado antiguo de Feynman y Fröhlich para explicar esta interacción. De hecho, Los materiales 2-D interactúan fuertemente con su entorno y esto fue crucial para este acoplamiento, "agregó el Dr. Maxim Trushin, un físico teórico del CA2DM que realizó todos los cálculos incluidos en el artículo y propuso la imagen de cuasipartículas para explicar el fenómeno observado.
Próximos pasos
Dr. Sinu Mathew, quien inició el esfuerzo de materiales 2-D en NUSNNI bajo el profesor Venkatesan y es un jugador clave en esta investigación, proporcionó una imagen más amplia de este descubrimiento. Él dijo, "El noventa por ciento de la investigación sobre materiales 2-D utiliza SiO2 o nitruro de boro hexagonal como sustratos. Esos podrían ser excelentes para explorar las propiedades cuánticas de los materiales 2-D, pero si desea explorar las interacciones de la interfaz, Los sustratos de óxido pueden ser mucho más interesantes ya que tienen ricas funcionalidades cuánticas. En este artículo informamos la interacción entre MoS 2 y SrTiO 3 , pero hay mucho más espacio para explorar ".
Recientemente, ha habido mucho entusiasmo con respecto a las interconexiones basadas en excitones. "El trión polarónico está cargado y, por lo tanto, sería más fácil de guiar con voltajes aplicados, lo que lo convierte en un actor clave en esta área, ", concluyó el profesor Venkatesan." De hecho, ya hemos comenzado a observar triones polarónicos en otros semiconductores 2-D y estamos trabajando para demostrar un dispositivo funcional basado en esta nueva cuasipartícula ".
