Estructura cristalina y estructura de bandas de SiP2 en capas . un , Estructura esquemática en capas de SiP2 (Pnma , grupo número 62). El x,y,z El sistema de coordenadas se define de acuerdo con la estructura cristalina, como se muestra en la esquina inferior izquierda. El sombreado azul resalta el PB –PB cadenas formadas por el PB átomos a lo largo de la y dirección de la red cristalina, que juegan un papel fundamental en la generación de estados excitónicos y electrónicos cuasi-1D. b –d , Vista superior (b ) y transversal (c ,d ) Imágenes STEM-ADF de SiP2 visto a lo largo de la y eje (c ) y x eje (d ). Los rectángulos discontinuos verde y cian representan la red periódica con orden de apilamiento ABAB de SiP2 capas. Barras de escala, 1 nm. e , Estructura de banda electrónica de granel SiP2 calculado a partir del GW método. El recuadro muestra la primera BZ de SiP2 a granel . SiP2 es un semiconductor con una banda prohibida indirecta de 2,14 eV. El máximo de la banda de valencia se encuentra en el punto Γ y el mínimo de la banda de conducción se encuentra a lo largo de la dirección Γ–Y. El estado mínimo de la banda de conducción no contribuye a la formación del excitón A debido a las grandes energías de transición entre bandas directas en esta ubicación. f , Distribución de densidad de carga del borde de la banda de conducción (izquierda) y el borde de la banda de valencia (derecha) en el espacio real. La isosuperficie de la gráfica es 0.02 e Å − 3 . Crédito:Materiales naturales (2022). DOI:10.1038/s41563-022-01285-3
Investigadores de la Universidad de Nanjing y la Universidad de Beihang en China y el Instituto Max Planck para la Estructura y la Dinámica de la Materia (MPSD) en Hamburgo, Alemania, han producido una nueva clase de excitón con dimensionalidad híbrida mediante la ingeniería de las propiedades del difosfuro de silicio en capas (SiP₂) . Su trabajo ha sido publicado en Nature Materials .
Los excitones son partículas unidas que consisten en un electrón con carga negativa y un hueco de electrón con carga positiva. Su comportamiento exótico ofrece una nueva plataforma importante para estudiar la física de los materiales cuando se acoplan a otros estados de la materia, como las vibraciones de la red cristalina del material.
Usando SiP₂, investigadores en China fabricaron un nuevo tipo de material cuyas capas 2D están unidas por fuerzas de van der Waals y presentan fuertes interacciones covalentes internas. Esto produce cadenas de fósforo unidimensionales peculiares a lo largo de las cuales se pueden localizar estados electrónicos. Luego, el equipo logró diseñar un nuevo tipo de excitón con dimensionalidad híbrida en este material en capas, lo que significa que el electrón tiene un carácter 1D y el agujero muestra características 2D. Esta es la primera vez que se observa un fenómeno de este tipo. Los teóricos del MPSD confirmaron los hallazgos con simulaciones avanzadas.
Al exponer el material a la luz láser, los experimentadores pudieron crear y posteriormente probar estos estados exitónicos, que aparecen como picos en los espectros medidos. En particular, la aparición de un pico lateral peculiar al pico excitónico principal en los espectros muestra una firma distinta de los excitones de dimensionalidad híbrida:debido a su fuerte dependencia de la estructura interna del material, se espera que los excitones recién creados interactúen fuertemente con otras excitaciones materiales, como las vibraciones de la red que alteran las cadenas de fósforo en SiP₂.
Posteriormente, el grupo de teoría del MPSD confirmó estos hallazgos a través de un análisis exhaustivo, utilizando métodos de última generación para investigar las partículas excitónicas. Sus simulaciones muestran que la partícula consiste en un hueco cargado positivamente con carácter 2D y un electrón cargado negativamente que se localiza a lo largo de las cadenas de fósforo unidimensionales, dando lugar a excitones con dimensionalidad mixta.
Los teóricos demostraron que tal excitón interactúa fuertemente con las vibraciones de la red, lo que genera la característica de pico lateral medida experimentalmente. Hasta ahora, esta característica solo se ha medido en materiales de baja dimensión, como los nanotubos de grafeno o las monocapas de dicalcogenuro de metales de transición, pero no en un material a granel como el SiP₂.
Esta colaboración ha demostrado la existencia de bandas laterales de excitón-fonón en un cristal a granel 3D, así como estados excitónicos con dimensionalidad híbrida. Con los científicos buscando nuevas formas de controlar e investigar las interacciones entre cuasipartículas como excitones, fonones y otros en materiales sólidos, estos hallazgos representan un avance importante.
"Nuestro enfoque proporciona una plataforma intrigante para estudiar y diseñar nuevos estados de la materia, como triones (dos electrones y un hueco o viceversa) y partículas más complejas con dimensionalidad híbrida", dice el coautor Peizhe Tang, profesor de la Universidad de Beihang y visitante científico del MPSD.
El coautor Lukas Windgätter, estudiante de doctorado en el grupo de Teoría del Instituto, agrega:"Para mí, es intrigante cómo se pueden controlar las interacciones de las partículas a través de los sólidos de ingeniería. Especialmente, ser capaz de crear partículas compuestas con dimensionalidad híbrida abre caminos para investigar nueva física". Trampas cuánticas sintonizables para excitones
