Mezclar y combinar modelos computacionales de materiales bidimensionales llevó a los científicos de la Universidad de Rice a darse cuenta de que los excitones (cuasipartículas que existen cuando los electrones y los huecos se unen brevemente) pueden manipularse de formas nuevas y útiles.

Los investigadores identificaron un pequeño conjunto de compuestos 2-D con dimensiones de celosía atómica similares que, cuando se colocan juntos, permitiría que los excitones se formaran espontáneamente. Generalmente, los excitones ocurren cuando la energía de la luz o la electricidad impulsa los electrones y los huecos a un estado superior.

Pero en algunas de las combinaciones predichas por el teórico de materiales de Rice Boris Yakobson y su equipo, Se observó que los excitones se estabilizaban en el estado fundamental de los materiales. Según su determinación, estos excitones en su estado de energía más bajo podrían condensarse en una fase parecida a un superfluido. El descubrimiento es prometedor para la electrónica, Aplicaciones de computación cuántica y espintrónica.

"La misma palabra 'excitón' significa que los electrones y los huecos 'saltan' hacia una energía superior, ", Dijo Yakobson." Todos los sistemas fríos se sientan en sus estados de energía más bajos posibles, por lo que no hay excitones presentes. Pero encontramos una comprensión de lo que parece una paradoja tal como la concibió Nevill Mott hace 60 años:un sistema material donde los excitones pueden formarse y existir en el estado fundamental ".

El estudio de acceso abierto de Yakobson, la estudiante de posgrado Sunny Gupta y el científico investigador Alex Kutana, toda la Escuela de Ingeniería Brown de Rice, aparece en Comunicaciones de la naturaleza .

Después de evaluar muchos miles de posibilidades, el equipo modeló con precisión 23 heteroestructuras bicapa, sus capas ligeramente mantenidas en alineación por las débiles fuerzas de van der Waals, y calculó cómo se alineaban sus espacios de banda cuando se colocaban uno al lado del otro. (Los huecos de banda definen la distancia que tiene que saltar un electrón para darle a un material sus propiedades semiconductoras. Los conductores perfectos, metales o semimetales como el grafeno, no tienen hueco de banda).

Por último, produjeron diagramas de fase para cada combinación, mapas que les permitieron ver cuál tenía el mejor potencial para el estudio experimental.

"Las mejores combinaciones se distinguen por una coincidencia de parámetros de celosía y, Más importante, por las posiciones especiales de las bandas electrónicas que forman un espacio roto, también llamado tipo III, "Dijo Yakobson.

Convenientemente, las combinaciones más robustas se pueden ajustar aplicando tensión a través de tensión, curvatura o un campo eléctrico externo, escribieron los investigadores. Eso podría permitir que el estado de fase de los excitones se sintonizara para adoptar las propiedades de "fluido perfecto" de un condensado de Bose-Einstein o un condensado superconductor BCS.

"En un condensado cuántico, Las partículas bosónicas a bajas temperaturas ocupan un estado fundamental cuántico colectivo, "Eso es compatible con fenómenos cuánticos macroscópicos tan notables como la superfluidez y la superconductividad", dijo Gupta.

"Los estados condensados ​​son intrigantes porque poseen extrañas propiedades cuánticas y existen en una escala cotidiana, accesible sin microscopio, y solo se requiere baja temperatura, ", Agregó Kutana." Debido a que están en el estado de energía más bajo posible y debido a su naturaleza cuántica, Los condensados ​​no pueden perder energía y se comportan como un fluido perfecto sin fricción.

"Los investigadores han estado buscando realizarlos en varios sistemas sólidos y gaseosos, ", dijo." Estos sistemas son muy raros, por lo que tener materiales bidimensionales entre ellos ampliaría enormemente nuestra ventana al mundo cuántico y crearía oportunidades para su uso en nuevos, dispositivos asombrosos ".

Las mejores combinaciones fueron conjuntos de bicapas de heteroestructura de antimonio-telurio-selenio con bismuto-telurio-cloro; hafnio-nitrógeno-yodo con circonio-nitrógeno-cloro; y litio-aluminio-telurio con bismuto-telurio-yodo.

"Excepto por tener parámetros de celosía similares dentro de cada par, las composiciones químicas parecen bastante poco intuitivas, "Dijo Yakobson." No vimos forma de anticipar el comportamiento deseado sin el minucioso análisis cuantitativo.

"Uno nunca puede negar la oportunidad de encontrar la serendipia, como dijo Robert Curl, La química se trata de tener suerte, pero examinar cientos de miles de combinaciones de materiales no es realista en ningún laboratorio. Teóricamente sin embargo, se puede hacer."