Una collaborazione tra l'Università di Wollongong e l'Università di Monash ha trovato prove di una nuova fase della materia prevista negli anni '60:l'isolante eccitonico.

Le firme uniche di una fase isolante eccitonica sono state osservate nei nanoflakes di antimonio Sb(110).

I risultati forniscono una nuova strategia per la ricerca di più isolanti eccitonici che sono potenzialmente in grado di trasportare superfluidi di eccitoni, e saranno necessari ulteriori studi per comprendere appieno la ricca fisica di questa nuova fase della materia.

Sfondo

"La scoperta di nuove fasi della materia è uno dei principali obiettivi della fisica della materia condensata ed è importante per lo sviluppo di nuove tecnologie per l'elettronica a bassa energia che è l'obiettivo principale del centro ARC in FLEET, " afferma il prof Xiaolin Wang (UOW).

"Negli anni Sessanta, è stato proposto che in piccoli materiali a banda proibita indiretta, Gli eccitoni possono formarsi spontaneamente perché la densità dei portatori è troppo bassa per schermare l'attraente interazione di Coulomb tra elettroni e lacune", ha affermato il Dr. Zhi Li, il primo autore e attualmente FLEET AI e un membro dell'ARC DECRA co-mentorato dal Prof Wang e dal Prof Fuhrer.

Il risultato è una nuova fase isolante fortemente interagente nota come isolante eccitonico.

Nella famiglia degli isolanti, il primo membro è il bandgap, isolante 'o 'banale'.

Oltre agli isolanti bandgap, altri stati isolanti possono sorgere attraverso gli effetti di interazioni elettrone-elettrone o disordine accoppiato con interferenza quantistica, per esempio:

• isolanti Anderson, in cui gli elettroni sono localizzati per interferenza quantistica
• Isolatori topologici, che hanno un gap nella massa ma stati conduttori gapless in superficie/bordo a causa dell'inversione di banda.

L'isolante eccitonico, una nuova fase della materia nel punto critico di transizione tra isolante e metallo è stata proposta negli anni '60 da molti pionieri della fisica della materia condensata.

In un isolante eccitonico, le particelle bosoniche piuttosto che gli elettroni determinano le proprietà fisiche.

Si prevede che gli isolanti eccitonici ospiteranno molte nuove proprietà, compreso l'eccitonio cristallizzato, superfluidità e superconduttività eccitonica ad alta temperatura, e le scoperte nella ricerca di questa nuova classe di isolanti hanno attirato l'attenzione dei fisici della materia condensata e degli scienziati dei materiali bidimensionali.

Lo studio

Il team di ricerca ha utilizzato la microscopia a effetto tunnel (STM) e la spettroscopia (STS) per dimostrare che l'interazione potenziata di Coulomb nei nanoflakes di antimonio elementare confinati quantistici porta il sistema allo stato di isolante eccitonico.

La caratteristica unica dell'isolante eccitonico, un'onda di densità di carica (CDW) senza distorsione reticolare periodica, è stato osservato direttamente. Per di più, STS mostra un gap indotto dal CDW vicino alla superficie di Fermi.

Queste osservazioni suggeriscono che il nanoflake di antimonio (Sb(110)) è un isolante eccitonico.

"Possibile fase isolante eccitonica in Quantum-Confined Sb Nanoflakes" è stata pubblicata in Nano lettere nel luglio 2019.

La teoria

Eccitoni, che sono bosonici, coppie di elettroni e lacune fortemente legate, si formano attraverso l'interazione di Coulomb elettrone-lacuna, abbassando l'energia del sistema del valore dell'energia di legame (Eb).

Se tali eccitoni potessero formarsi spontaneamente, allora il risultato sarebbe una fase isolante eccitonica.

Nei semiconduttori o negli isolanti, la formazione di un eccitone richiede il superamento dell'energia di band-gap, ad esempio necessaria per creare una coppia elettrone-lacuna. La formazione spontanea degli eccitoni richiede che Eb> Per esempio. Però, Ad esempio è di solito molto più grande di Eb nei semiconduttori e negli isolanti, prevenire la formazione spontanea di eccitoni.

In questo lavoro, i ricercatori hanno sfruttato la forte interazione di Coulomb in materiali molto sottili per promuovere la fase isolante eccitonica nell'antimonio.

Lavoro precedente

Fino ad ora, molti materiali che mostrano CDW sono stati identificati come candidati di isolanti eccitonici.

Sfortunatamente, questi isolanti eccitonici candidati mostrano una forte distorsione periodica del reticolo (PLD), indicando che CDW è stato guidato dall'accoppiamento elettrone-fonone piuttosto che dagli stati isolanti eccitonici.

Il nuovo studio fornisce solide prove della fase isolante eccitonica nei nanoflakes di antimonio mediante l'osservazione di CDW senza PLD.