La nuova quasiparticella denominata "trione polaronico" è stata scoperta da un team guidato dal prof. T. Venky Venkatesan (ultima fila, primo da sinistra) da NUSNNI. La sua squadra comprende (ultima fila, da sinistra) Assoc Prof Shaffique Adam, Dottor Soumya Sarkar, Dottor Sreetosh Goswami, (seduto, da sinistra) il dottor Maxim Trushin, Dottor Sinu Mathew, così come altri sei ricercatori. Credito:Università Nazionale di Singapore
La scoperta di una nuova quasiparticella è analoga alla scoperta di una nuova molecola, tranne che le molecole contengono elementi diversi, mentre le quasiparticelle sono costituite da particelle e interazioni fondamentali. Poiché ogni molecola ha le sue proprietà uniche, così fanno le quasiparticelle, e la scoperta di un nuovo porta una gamma di possibili applicazioni tecnologiche.
Una nuova quasiparticella denominata "trione polaronico, " scoperto nel bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ) da un gruppo della National University of Singapore (NUS), potrebbe essere utilizzato per progettare un modulatore ottico per la luce visibile controllato sia dalla temperatura che dai campi elettrici.
Lo sforzo di ricerca per questa svolta è stato guidato dal professor T Venky Venkatesan, Direttore del NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI), ed è stato pubblicato in Materiale avanzato il 26 agosto 2019.
La formazione della nuova quasiparticella
Una quasiparticella è essenzialmente un composto formato a causa dell'interazione di particelle elementari. Ad esempio, l'interazione coulombiana tra particelle di carica opposta, sia elettroni che lacune, in un semiconduttore dà origine a una quasiparticella, noto come eccitone. "Recentemente è stato riportato che nei semiconduttori ricchi di elettroni, un elettrone in più può legarsi a un eccitone per formare una nuova quasiparticella chiamata "trione", '" ha condiviso il prof Venkatesan.
In questo caso, i ricercatori hanno scoperto che quando uno strato atomicamente sottile di MoS 2 è cresciuto su un singolo cristallo di titanato di stronzio (SrTiO 3 ), il trione carico in MoS 2 può interagire ulteriormente con le vibrazioni atomiche del SrTiO 3 reticolo per formare una nuova quasiparticella. La natura di questa interazione è simile a quella tra elettroni e vibrazioni reticolari (o fononi) nei solidi, dando origine a un'altra quasiparticella nota come "polaron". Quindi, hanno soprannominato la nuova quasiparticella un "trione polaronico".
"Il trione polaronico può essere visualizzato come una bambola da tè russa, o Matrioska. All'interno del trione polaronico c'è un trione nudo, al cui interno c'è un eccitone che a sua volta è costituito da elettroni e lacune, " ha spiegato il professore associato Shaffique Adam, uno degli autori principali dell'opera, che viene dal Dipartimento di Fisica del NUS, Yale-NUS College e il Centro per i materiali 2-D avanzati (CA2DM).
Il significato del trione polaronico
"Trioni ed eccitoni in materiali 2-D come MoS 2 sono interessanti perché possono assorbire ed emettere luce, " ha detto il dottor Soumya Sarkar, il primo autore della pubblicazione che è della NUSNNI e della NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering. Ha scoperto questo fenomeno durante la sua ricerca di dottorato sotto il professor Venkatesan.
Ha aggiunto, "Generalmente, i fononi hanno energie troppo grandi per accoppiarsi con un trione. Qui è dove SrTiO 3 il cristallo è speciale perché subisce una transizione di fase strutturale a temperature inferiori a -120°C e dà luogo a una particolare vibrazione atomica, la modalità morbida."
Questa modalità morbida ha un'energia che è dello stesso ordine di quella del trion nudo, e consente un forte accoppiamento tra il trione di MoS 2 e SrTiO 3 fononi per formare la nuova entità, il "trione polaronico." Mentre le normali vibrazioni del reticolo diminuiscono quando il cristallo si congela a basse temperature, la vibrazione in modalità morbida, d'altra parte, è molto potenziato, coerente con le osservazioni.
Un'altra importante proprietà di questa quasiparticella è la sua sensibilità ai campi elettrici. Dott. Sreetosh Goswami della NUSNNI, chi è uno degli autori principali di questo articolo, elaborato, "Quello che stiamo osservando qui è un'interazione a molti corpi e la sintonizzazione di tale interazione con un campo elettrico esterno. Questo è il Santo Graal nella fisica della materia condensata, e tali esempi sono piuttosto rari."
Lui continuò, "Per me, la parte più eccitante di questo intero studio è la sintonizzabilità del campo elettrico dei trioni polaronici manipolando i fononi morbidi in SrTiO 3 . La capacità di sintonizzare la sua energia di legame di quasi 40 meV usando una polarizzazione di tensione è molto più di qualsiasi altra precedentemente riportata, e richiede solo una scarsa quantità di energia esterna."
Teoricamente, l'accoppiamento è insolito in quanto questa è la prima osservazione di un accoppiamento fononico interfacciale così forte che coinvolge fononi rotazionali. "Abbiamo esteso un vecchio risultato di Feynman e Fröhlich per spiegare questa interazione. Infatti, I materiali 2-D interagiscono fortemente con il loro ambiente e questo è stato fondamentale per questo accoppiamento, " ha aggiunto il dottor Maxim Trushin, un fisico teorico del CA2DM che ha eseguito tutti i calcoli inclusi nell'articolo e ha proposto l'immagine della quasiparticella per spiegare il fenomeno osservato.
Prossimi passi
Dott. Sinu Mathew, che ha avviato lo sforzo sui materiali 2-D presso NUSNNI sotto il professor Venkatesan ed è un attore chiave in questa ricerca, ha fornito un quadro più ampio di questa scoperta. Egli ha detto:"Il novanta percento della ricerca sui materiali 2-D utilizza SiO2 o nitruro di boro esagonale come substrati. Questi potrebbero essere ottimi per esplorare le proprietà quantistiche dei materiali 2-D, ma se vuoi esplorare le interazioni dell'interfaccia, i substrati di ossido possono essere molto più interessanti in quanto hanno ricche funzionalità quantistiche. In questo lavoro riportiamo l'interazione tra MoS 2 e SrTiO 3 , ma c'è molto più spazio da esplorare."
Recentemente, c'è stata molta eccitazione riguardo alle interconnessioni basate sugli eccitoni. "Il trione polaronico è carico e quindi sarebbe più facile guidarlo con le tensioni applicate, rendendolo così un attore chiave in questo settore, " ha concluso il prof Venkatesan. "In effetti abbiamo già iniziato ad osservare trioni polaronici in altri semiconduttori 2-D e stiamo lavorando per dimostrare un dispositivo funzionale basato su questa nuova quasiparticella".
