14:32 2022-01-19
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Studiul arată că ditelurura de tungsten monostrat este un izolator excitonic
_ Studiul arată că monostrat Ditelurura de wolfram este un izolator excitonic
Ditelurura de wolfram (WTe2) este o dicalcogenură de metal tranzițional cu numeroase proprietăți și caracteristici avantajoase, ceea ce o face un material ideal pentru o gamă largă de aplicații electronice. Studiile anterioare au stabilit că cristalele 2D WTe2 dispuse într-un singur strat formează primul izolator topologic monostrat, prezentând proprietăți topologice care supraviețuiesc până la temperaturi foarte ridicate (~100 K).
În ultimii câțiva ani, fizicienii au putut înțelege destul de bine originea topologiei materialului. Cu toate acestea, motivele pentru care monostratul WTe2 se comportă ca un izolator (adică electronii nu se pot mișca liber în material) rămân neclare. Predicțiile și calculele teoretice sugerează că materialul ar trebui să fie, în principiu, un semimetal, în care electronii și găurile coexistă și se mișcă liber.
Cercetătorii de la Universitatea Princeton au efectuat recent un studiu care investighează proprietățile electronice ale monostratului WTe2, cu speranta de a intelege mai bine motivele pentru care actioneaza ca izolator. Lucrarea lor, publicată în Nature Physics, oferă dovezi puternice că materialul este un izolator excitonic, care rezultă din formarea spontană a stărilor legate de electroni, cunoscute sub numele de „excitoni”.
„Scopul inițial al lucrării noastre. a fost să înțelegem proprietățile cuantice ale noului material 2D monostrat WTe2”, a declarat Sanfeng Wu, unul dintre cercetătorii care au efectuat studiul, pentru Phys.org. „De-a lungul anilor, diferite moduri de a explica originea stării izolatorului au fost discutate în mod inconsecvent în literatura de specialitate. Lucrarea noastră a efectuat un studiu sistematic pentru a rezolva acest puzzle și a găsit dovezi puternice că acest izolator 2D este un izolator excitonic, un izolator mult căutat. după starea cuantică a materiei electronice în solide.”
Existența izolatorilor excitonici a fost prezisă pentru prima dată în anii 1960. La acea vreme, fizicienii au sugerat că în semiconductori sau semimetale cu distanțe mici, electronii și găurile se pot combina uneori pentru a forma particule compozite (adică, excitoni). Acest proces ar trebui, la rândul său, să conducă la o fază puternic izolatoare, care ar diferi considerabil de izolatorii electrici standard.
„Excitonii sunt particule neutre de încărcare, precum atomii de hidrogen”, a explicat Wu. „Conceptul de excitoni nu este nou în fizica semiconductorilor, de exemplu, excitonii joacă un rol cheie în excitațiile optice și emisiile de semiconductori. Cu toate acestea, excitonii excitați optic dintr-un semiconductor au o durată foarte scurtă de viață, deoarece trebuie să se degradeze, să zicem prin emiterea de lumină, în termen de nanosecunde. În schimb, într-un izolator excitonic, excitonii nu emit lumină și nu se descompun.”
În izolatorii excitonici, excitonii sunt ascunși în starea izolatorului, ceea ce îi face dificil de detectat experimental. Drept urmare, demonstrarea concludentă a existenței stărilor izolatoare excitonice s-a dovedit până acum a fi incredibil de provocatoare.
Pentru a arăta că monostratul WTe2 este un izolator excitonic, Wu și colegii săi au încercat mai întâi să excludă toate celelalte cunoscute. posibile explicaţii pentru comportamentul său izolator. Aceasta a inclus posibilitatea unei faze de izolare indusă de dezordine și a unui izolator banal cu o bandă interzisă asemănătoare cu cea a semiconductorilor tipici.
„Acesta este un pas foarte important, dar de obicei foarte dificil de făcut pentru materialele candidate 3D, ", a spus Wu. „Am examinat rolul tulburărilor prin compararea probelor cu diferite niveluri de impurități și am constatat că eșantioanele mai curate găzduiesc stări de izolare mai puternice, dezvăluind că starea de izolare este o proprietate intrinsecă a monostratului în limita curată, mai degrabă decât indusă de tulburări”.
În experimentele lor, cercetătorii au exclus și posibilitatea ca monostratul WTe2 să fie un izolator de bandă. Pentru a face acest lucru, ei au examinat un cristal 2D WTe2 folosind spectroscopie de tunel de electroni, o tehnică renumită și puternică pentru a distinge stările izolatoare corelate de izolatorii de bandă triviale.
„Am ajuns la concluzia că starea izolatoare monostrat se dezvoltă datorită electronicii intrinseci. corelații”, a spus Wu. „Combinând acest lucru cu faptul că starea apare exact la neutralitatea sarcinii, ceea ce înseamnă că numărul de electroni și găurile sunt exact egale, a devenit evident că izolatorul monostrat este un izolator excitonic.”
Interesant, Wu. și colegii săi au descoperit, de asemenea, că eșantionul WTe2 monostrat pe care l-au examinat a prezentat comportamente de transport neobișnuite, care sunt în concordanță cu cele care ar fi de așteptat într-un izolator excitonic. Ulterior, au dezvoltat un model teoretic care ia în considerare corelațiile electron-gaură, susținând în continuare formarea unei faze izolatoare excitonice.
„Am adunat două descoperiri notabile care ar putea avea implicații ample”, a spus Wu. „În primul rând, studiul nostru adaugă un nou aspect semnificativ la înțelegerea unui material topologic 2D care arată și multe alte proprietăți cuantice neobișnuite. Această descoperire revizuiește înțelegerea noastră a fizicii cuantice, unde topologia și corelațiile electronilor sunt ambele importante. În cele din urmă, ar putea conduce la noi descoperiri, în special în această nouă clasă de materiale.”
Studiul recent realizat de această echipă de cercetători arată că monostratul WTe2 este un candidat izolator excitonic 2D foarte promițător. În viitor, ar putea informa studii ulterioare care examinează monostrat WTe2 sau alte materiale cu structuri similare, pentru a explora posibilitatea de a descoperi mai multe materiale izolatoare excitonice.
„Munca noastră oferă oportunități valoroase de a aborda experimental deceniul de 6 ani. veche problemă a izolatorilor excitonici”, a spus Wu. „Descoperirile noastre inspiră deja idei noi pentru a detecta direct excitonii ascunși folosind abordări care sunt imposibile pentru materialele candidate anterioare.”
Rezultatele adunate de Wu și colegii săi deschid noi oportunități fascinante pentru dezvoltarea de noi experimente experimentale. tehnici de detectare a fazelor cuantice neutre ascunse în izolatoare. Acest lucru ar putea îmbunătăți înțelegerea actuală a izolatorilor electrici și, mai important, ar putea duce la descoperirea de noi tipuri de izolatori electrici dincolo de cele standard.
"Lucrarea noastră identifică monostrat WTe2 ca o platformă unică și fără precedent pentru studii viitoare nu numai asupra stării izolatoare excitonice, ci și asupra altor posibile noi faze cuantice, cum ar fi supraconductivitatea excitonice, mai ales că monostratul WTe2 poate fi reglat electrostatic de la starea izolatorului excitonic la o stare superconductoră”, Yanyu Jia, student absolvent și autor principal al lucrării. hârtie, a spus Phys.org. „Dezvăluirea relațiilor de bază dintre cele două faze va fi interesantă și va aprofunda cu siguranță înțelegerea fenomenelor cuantice din materiale.”
În următoarele studii, Wu, Jia și colegii lor vor încerca să elaboreze proceduri experimentale alternative. care le-ar permite să detecteze excitonii de stare fundamentală direct și chiar mai concludent. În plus, ei ar dori să efectueze cercetări suplimentare, concentrându-se pe orice posibile noi faze cuantice care ar putea caracteriza izolatorii excitonici.
„Un factor cheie aici este că nu avem de-a face cu excitoni unici; în schimb, densitatea excitonilor. aici este ~ 1012 cm-2", a adăugat Wu. „La fel ca în cazul multor atomi împreună, putem avea diferite faze ale materiei, ne așteptăm ca acești mulți excitoni să formeze noi faze electronice interesante de diferite tipuri. Deci, ar trebui să existe o lume cuantică bogată ascunsă în astfel de izolatori electrici și sperăm să descoperim. ei.”
© 2022 Science X Network
Comentarii:
Adauga Comentariu