La combinazione e l'abbinamento di modelli computazionali di materiali 2-D ha portato gli scienziati della Rice University alla realizzazione che gli eccitoni, quasiparticelle che esistono quando gli elettroni e le lacune si legano brevemente, possono essere manipolati in modi nuovi e utili.

I ricercatori hanno identificato un piccolo insieme di composti 2-D con dimensioni del reticolo atomico simili che, quando messi insieme, permetterebbe agli eccitoni di formarsi spontaneamente. In genere, gli eccitoni si verificano quando l'energia della luce o dell'elettricità aumenta gli elettroni e le lacune in uno stato più elevato.

Ma in alcune delle combinazioni previste dal teorico dei materiali Rice Boris Yakobson e dal suo team, sono stati osservati eccitoni stabilizzarsi allo stato fondamentale dei materiali. Secondo la loro determinazione, questi eccitoni al loro stato energetico più basso potrebbero condensarsi in una fase superfluida. La scoperta mostra una promessa per l'elettronica, applicazioni spintronica e di calcolo quantistico.

"La stessa parola 'eccitone' significa che gli elettroni e le lacune 'saltano' in un'energia superiore, " ha detto Yakobson. "Tutti i sistemi freddi siedono nei loro stati di energia più bassa possibile, quindi non sono presenti eccitoni. Ma abbiamo trovato la realizzazione di quello che sembra un paradosso concepito da Nevill Mott 60 anni fa:un sistema materiale in cui gli eccitoni possono formarsi ed esistere allo stato fondamentale".

Lo studio ad accesso libero di Yakobson, studente laureato Sunny Gupta e ricercatore Alex Kutana, tutta la Brown School of Engineering di Rice, appare in Comunicazioni sulla natura .

Dopo aver valutato molte migliaia di possibilità, il team ha modellato con precisione 23 eterostrutture a doppio strato, i loro strati mantenuti in allineamento da deboli forze di van der Waals, e calcolato come i loro band gap si allineavano quando posizionati uno accanto all'altro. (I gap di banda definiscono la distanza che un elettrone deve percorrere per dare a un materiale le sue proprietà semiconduttive. I conduttori perfetti, metalli o semimetalli come il grafene, non hanno gap di banda.)

In definitiva, hanno prodotto diagrammi di fase per ogni combinazione, mappe che hanno permesso loro di visualizzare quale aveva il miglior potenziale per lo studio sperimentale.

"Le migliori combinazioni si distinguono per una corrispondenza dei parametri reticolari e, più importante, dalle speciali posizioni delle bande elettroniche che formano un gap rotto, chiamato anche tipo III, "Ha detto Yakobson.

convenientemente, le combinazioni più robuste possono essere regolate applicando lo stress attraverso la tensione, curvatura o un campo elettrico esterno, hanno scritto i ricercatori. Ciò potrebbe consentire di sintonizzare lo stato di fase degli eccitoni per assumere le proprietà di "fluido perfetto" di un condensato di Bose-Einstein o di un condensato BCS superconduttore.

"In un condensato quantico, le particelle bosoniche a basse temperature occupano uno stato fondamentale quantistico collettivo, " Ha detto Gupta. "Questo supporta fenomeni quantistici macroscopici notevoli come la superfluidità e la superconduttività".

"Gli stati condensati sono intriganti perché possiedono proprietà quantistiche bizzarre ed esistono su scala quotidiana, accessibile senza microscopio, ed è richiesta solo la bassa temperatura, " ha aggiunto Kutana. "Poiché sono allo stato energetico più basso possibile e a causa della loro natura quantistica, i condensati non possono perdere energia e si comportano come un fluido perfetto senza attrito.

"I ricercatori hanno cercato di realizzarli in vari sistemi solidi e gas, " ha detto. "Tali sistemi sono molto rari, quindi avere materiali bidimensionali tra loro amplierebbe notevolmente la nostra finestra sul mondo quantistico e creerebbe opportunità per l'uso in nuovi, dispositivi straordinari."

Le migliori combinazioni erano assemblaggi di doppi strati eterostrutturali di antimonio-tellurio-selenio con bismuto-tellurio-cloro; afnio-azoto-iodio con zirconio-azoto-cloro; e litio-alluminio-tellurio con bismuto-tellurio-iodio.

"Tranne per avere parametri reticolari simili all'interno di ciascuna coppia, le composizioni chimiche appaiono piuttosto poco intuitive, " Yakobson ha detto. "Non abbiamo visto alcun modo per anticipare il comportamento desiderato senza la scrupolosa analisi quantitativa.

"Non si può mai negare la possibilità di trovare la serendipità, come disse Robert Curl, la chimica è tutta una questione di fortuna, ma setacciare centinaia di migliaia di combinazioni di materiali non è realistico in qualsiasi laboratorio. Teoricamente, però, si può fare."