La condensazione di eccitoni con momento diverso da zero può dare origine alle cosiddette onde di densità di carica (CDW). Questo fenomeno può provocare la transizione dei materiali in una nuova affascinante fase quantistica, nota come isolante eccitonico.
I ricercatori dell'Università Jiao Tong di Shanghai e di altri istituti hanno recentemente condotto uno studio esplorando la possibilità che questa transizione metallo-isolante possa verificarsi nell'HfTe2 semimetallico atomicamente sottile. . Le loro osservazioni, delineate in Nature Physics , hanno svelato possibili transizioni CDW eccitoniche e metallo-isolante nel materiale atomicamente sottile.
"La formazione di CDW nei materiali ha vari meccanismi (ad esempio, annidamento della superficie di Fermi, distorsioni reticolari, ecc.) E l'esclusione di altri meccanismi di formazione di CDW è la chiave per identificare l'esistenza di un isolante eccitonico", Peng Chen, autore corrispondente dello studio. articolo, ha detto a Phys.org.
"Il nostro gruppo di ricerca ha precedentemente condotto una serie di studi sui dichalcogenuri di metalli di transizione bidimensionali tra cui TiSe2 e ZrTe2 per esplorare questo nuovo fenomeno. Sfortunatamente, la distorsione reticolare è ancora evidente nelle dispersioni fononiche calcolate, anche se potrebbe non essere la principale forza trainante in questi materiali."
Basandosi sui loro lavori precedenti, i ricercatori hanno deciso di sondare l'esistenza di CDW e una transizione metallo-isolante in film sottili di un altro materiale, vale a dire HfTe2 . Dopo aver osservato con successo entrambi questi fenomeni, hanno eseguito calcoli fononici per convalidare le loro osservazioni.
Questi calcoli hanno mostrato che HfTe2 a strato singolo non presenta instabilità strutturale. Inoltre, le misurazioni della diffrazione Raman e dei raggi X non hanno rivelato alcuna distorsione reticolare significativa, fornendo così una forte prova dell'origine elettronica della transizione metallo-isolante nell'HfTe2 a strato singolo .
"Una caratteristica notevole della condensazione degli eccitoni è la sensibilità alla concentrazione dei portatori vicino alla superficie di Fermi", ha spiegato Peng. "Un piccolo numero di portatori e una concentrazione bilanciata di portatori sia di tipo n che di tipo p possono in linea di principio favorire la condensazione degli eccitoni. Abbiamo scoperto che una piccola quantità di drogaggio di tipo n ha aumentato significativamente la temperatura di transizione dell'HfTe2 , che è diverso da altri tipi di meccanismo di transizione come il CDW di tipo Peierls."
Le recenti scoperte raccolte da Peng e dai suoi ricercatori suggeriscono che l'HfTe2 è atomicamente sottile potrebbe essere il primo isolante eccitonico conosciuto in un solido naturale con un'origine di transizione puramente elettronica. I ricercatori hanno finora convalidato i loro risultati attraverso vari calcoli e analisi.
"Diminuendo la dimensionalità del materiale, è possibile ridurre gli effetti di schermatura attorno al livello di Fermi, a vantaggio della condensazione degli eccitoni", ha affermato Peng. "Abbiamo preparato con successo HfTe2 a strato singolo e multistrato film sottili mediante epitassia da fascio molecolare. Le misurazioni della spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo hanno rivelato una transizione metallo-isolante quando lo spessore era inferiore a tre strati. La parte superiore della banda di valenza formava una banda piatta alle basse temperature, aprendo uno spazio vicino alla superficie di Fermi. Inoltre, in prossimità della punta apparivano bande piegate, una caratteristica tipica della formazione CDW."
Il nuovo isolante eccitonico scoperto da questo gruppo di ricerca potrebbe gettare le basi per ulteriori studi incentrati sugli effetti quantistici esotici derivanti dall'interazione tra stati isolanti eccitonici e altri ordinamenti (ad esempio topologia e stati correlati allo spin). Nel loro lavoro futuro, Peng e i suoi colleghi intendono esaminare ulteriormente la fase isolante quantistica che hanno osservato, per comprenderne meglio la fisica sottostante.
"A differenza delle tradizionali coppie di Cooper nei superconduttori, gli eccitoni hanno un'energia di legame maggiore, che li rende favorevoli alla condensazione a temperature più elevate", ha aggiunto Peng. "Pertanto, lo studio degli isolanti eccitonici è di grande importanza per comprendere fenomeni come la superconduttività e la superfluidità ad alta temperatura. Poiché la formazione di eccitoni è molto sensibile al numero di portatori e al gap di banda, stimoli esterni come gating elettrico o tensione possono essere utilizzato per controllare delicatamente la concentrazione del portatore o la struttura della banda e quindi il parametro d'ordine della coerenza elettrone-lacuna."
Ulteriori informazioni: Qiang Gao et al, Osservazione di possibili onde di densità di carica eccitonica e transizioni metallo-isolante in semimetalli atomicamente sottili, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02349-0
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