La condensación de excitones con momento distinto de cero puede dar lugar a las llamadas ondas de densidad de carga (CDW). Este fenómeno puede provocar la transición de materiales a una nueva y fascinante fase cuántica, conocida como aislante excitónico.
Investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai y otros institutos llevaron a cabo recientemente un estudio que explora la posibilidad de que esta transición metal-aislante pueda ocurrir en el HfTe2 semimetálico atómicamente delgado. . Sus observaciones, descritas en Nature Physics , reveló posibles transiciones CDW excitónicas y aislantes metálicos en el material atómicamente delgado.
"La formación de CDW en materiales tiene varios mecanismos (por ejemplo, anidamiento de la superficie de Fermi, distorsiones de la red, etc.) y la exclusión de otros mecanismos de formación de CDW es la clave para identificar la existencia de un aislante excitónico", Peng Chen, autor correspondiente del artículo. artículo, dijo a Phys.org.
"Nuestro equipo de investigación realizó previamente una serie de estudios sobre dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales, incluido TiSe2 y ZrTe2 para explorar este nuevo fenómeno. Desafortunadamente, la distorsión de la red todavía se evidencia en las dispersiones de fonones calculadas, aunque podría no ser la principal fuerza impulsora en estos materiales."
Basándose en sus trabajos anteriores, los investigadores se propusieron investigar la existencia de CDW y una transición metal-aislante en películas delgadas de otro material, concretamente el HfTe2. . Después de observar con éxito ambos fenómenos, realizaron cálculos de fonones para validar sus observaciones.
Estos cálculos mostraron que el HfTe2 de una sola capa No presenta inestabilidad estructural. Además, las mediciones de Raman y difracción de rayos X no revelaron ninguna distorsión significativa de la red, lo que proporciona una fuerte evidencia del origen electrónico de la transición metal-aislante en HfTe2 de una sola capa. .
"Una característica notable de la condensación de excitones es la sensibilidad a la concentración de portadores cerca de la superficie de Fermi", explicó Peng. "Un pequeño número de portadores y una concentración equilibrada de portadores de tipo n y p pueden, en principio, beneficiar la condensación de excitones. Descubrimos que una pequeña cantidad de dopaje de tipo n aumentaba significativamente la temperatura de transición del HfTe de una sola capa.>2 , que es diferente de otros tipos de mecanismos de transición como el CDW tipo Peierls."
Los hallazgos recientes recopilados por Peng y sus investigadores sugieren que el HfTe2 atómicamente delgado podría ser el primer aislante excitónico conocido en un sólido natural con un origen de transición puramente electrónico. Hasta ahora, los investigadores han validado sus resultados mediante varios cálculos y análisis.
"Al reducir la dimensionalidad del material, se pueden reducir los efectos de detección alrededor del nivel de Fermi, lo que beneficia la condensación de excitones", dijo Peng. "Hemos preparado con éxito HfTe2 monocapa y multicapa. películas delgadas mediante epitaxia de haz molecular. Las mediciones de espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo revelaron una transición metal-aislante cuando el espesor era inferior a tres capas. La parte superior de la banda de valencia formó una banda plana a bajas temperaturas, abriendo un espacio cerca de la superficie de Fermi. Además, aparecieron bandas plegadas cerca de la punta, una característica típica de la formación de CDW."
El nuevo aislante excitónico descubierto por este equipo de investigación podría sentar las bases para estudios adicionales centrados en efectos cuánticos exóticos derivados de la interacción entre estados aislantes excitónicos y otros ordenamientos (por ejemplo, topología y estados correlacionados con espín). En su trabajo futuro, Peng y sus colegas planean examinar más a fondo la fase del aislante cuántico que observaron para comprender mejor su física subyacente.
"A diferencia de los pares de Cooper tradicionales en los superconductores, los excitones tienen una mayor energía de enlace, lo que los hace propicios para la condensación a temperaturas más altas", añadió Peng. "Por lo tanto, el estudio de los aislantes excitónicos es de gran importancia para comprender fenómenos como la superconductividad y la superfluidez a altas temperaturas. Como la formación de excitones es muy sensible al número de portadores y a la banda prohibida, los estímulos externos como la activación eléctrica o la tensión pueden Se puede utilizar para controlar delicadamente la concentración de portadores o la estructura de bandas y, por tanto, el parámetro de orden de la coherencia del hueco de electrones."
Más información: Qiang Gao et al, Observación de posibles ondas de densidad de carga excitónica y transiciones metal-aislante en semimetales atómicamente delgados, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02349-0
Información de la revista: Física de la Naturaleza
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