Tres tipos de aisladores. (a) Aisladores con banda prohibida en la superficie de Fermi, incluidos los aisladores de banda, Aisladores Mott, y aisladores Anderson. (b) Aisladores topológicos, donde hay estados de superficie topológicamente protegidos dentro de la banda prohibida. (c) Aisladores excitónicos, donde los electrones y los huecos se unen y forman excitones en la superficie de Fermi. Crédito:FLOTA
Una colaboración entre la Universidad de Wollongong y la Universidad de Monash ha encontrado evidencia de una nueva fase de la materia predicha en la década de 1960:el aislante excitónico.
Las firmas únicas de una fase aislante excitónica se observaron en nanoflakes de antimonio Sb (110).
Los hallazgos proporcionan una estrategia novedosa para buscar más aislantes excitónicos que sean potencialmente capaces de transportar superfluidos de excitones. y se requerirán más estudios para comprender completamente la rica física de esta nueva fase de la materia.
Fondo
"El descubrimiento de nuevas fases de la materia es uno de los principales objetivos de la física de la materia condensada y es importante para el desarrollo de nuevas tecnologías para la electrónica de baja energía, que es el principal objetivo del centro ARC en FLEET, "dice el profesor Xiaolin Wang (UOW).
"En los años 1960, Se propuso que en pequeños materiales de banda prohibida indirecta, los excitones pueden formarse espontáneamente porque la densidad de los portadores es demasiado baja para detectar la interacción atractiva de Coulomb entre los electrones y los huecos ", dijo el Dr. Zhi Li, el primer autor y actualmente FLEET AI y un becario ARC DECRA co-mentorizado por el profesor Wang y el profesor Fuhrer.
El resultado es una nueva fase aislante que interactúa fuertemente, conocida como aislante excitónico.
En la familia de aisladores, el primer miembro es el bandgap, 'o aislante' trivial '.
Además de los aisladores bandgap, otros estados aislantes pueden surgir a través de los efectos de las interacciones electrón-electrón o el desorden junto con la interferencia cuántica, por ejemplo:
El aislante excitónico, En la década de 1960, muchos pioneros de la física de la materia condensada propusieron una nueva fase de la materia en el punto crítico de transición entre el aislante y el metal.
En un aislante excitónico, las partículas bosónicas en lugar de los electrones determinan las propiedades físicas.
Se ha predicho que los aislantes excitónicos albergan muchas propiedades novedosas, incluyendo excitonio cristalizado, superfluidez y superconductividad excitónica de alta temperatura, y los avances en la búsqueda de esta nueva clase de aisladores han atraído una gran atención entre los físicos de la materia condensada y los científicos de materiales bidimensionales.
El estudio
El equipo de investigación empleó microscopía de túnel de barrido (STM) y espectroscopía (STS) para demostrar que la interacción mejorada de Coulomb en nanoflakes de antimonio elemental confinado cuánticamente lleva al sistema al estado de aislante excitónico.
La característica única del aislante excitónico, una onda de densidad de carga (CDW) sin distorsión de celosía periódica, fue observado directamente. Es más, STS muestra un espacio inducido por el CDW cerca de la superficie de Fermi.
Estas observaciones sugieren que la nanoflake de antimonio (Sb (110)) es un aislante excitónico.
"Posible fase de aislamiento excitónico en nanoflacas Sb confinadas cuánticas" se publicó en Nano letras en julio de 2019.
La teoría
Excitones que son bosónicos, pares de electrones y huecos fuertemente unidos, se forman a través de la atractiva interacción de Coulomb entre los electrones y los agujeros, reducir la energía del sistema por el valor de la energía de enlace (Eb).
Si tales excitones pudieran formarse espontáneamente, entonces el resultado sería una fase de aislante excitónico.
En semiconductores o aislantes, la formación de un excitón requiere superar la energía de banda prohibida, por ejemplo, necesaria para crear un par electrón-hueco. La formación espontánea de excitones exige que Eb> P.ej. Sin embargo, Por ejemplo, suele ser mucho más grande que Eb en semiconductores y aislantes, Previniendo la formación espontánea de excitones.
En este trabajo, los investigadores aprovecharon la fuerte interacción de Coulomb en materiales muy delgados para promover la fase de aislante excitónico en el antimonio.
Trabajo previo
Hasta ahora, muchos materiales que muestran CDW han sido identificados como candidatos a aislantes excitónicos.
Desafortunadamente, Estos aislantes excitónicos candidatos muestran una fuerte distorsión de celosía periódica (PLD), lo que indica que la CDW fue impulsada por el acoplamiento de electrones y fonones en lugar de por estados del aislante excitónico.
El nuevo estudio proporciona pruebas sólidas de la fase de aislante excitónico en nanoflakes de antimonio mediante la observación de CDW sin PLD.
