Eccitoni di trasferimento di carica nell'eterostruttura organica-2D:figura schematica che mostra gli eccitoni di trasferimento di carica nell'eterostruttura organica-2D ZnPc-MoS2. Gli eccitoni di trasferimento di carica di energia più bassi in ZnPc/MoS2 si prevede che l'eterostruttura subirà la condensazione di Bose-Einstein a una temperatura compresa tra 50 K e 100 K. Credito:National University of Singapore
I ricercatori della National University of Singapore hanno previsto che uno stato esotico della materia noto come condensato di Bose-Einstein può esistere a temperature relativamente elevate (da 50 K a 100 K) in sistemi comprendenti molecole organiche su materiali semiconduttori bidimensionali (2D).
Un condensato di Bose-Einstein è uno stato della materia in cui tutte le particelle hanno la stessa energia e sono completamente coordinate. Da un punto di vista fisico, queste particelle si aggregano e iniziano a comportarsi come se facessero parte di un'unica particella più grande. Il Premio Nobel per la Fisica 2001 è stato assegnato per la realizzazione della condensazione di Bose-Einstein. Questa svolta fenomenale è stata raggiunta per la prima volta in una raccolta di atomi di rubidio a una temperatura ultra-bassa di 20 nK. Ci si aspetta che questo controllo dello stato della materia porti a scoperte tecnologiche e consenta anche la realizzazione della superfluidità.
In questo lavoro, la prof. Quek Su Ying del Dipartimento di Fisica dell'Università Nazionale di Singapore e il suo borsista post-dottorato, il dott. Ulman Kanchan, hanno previsto che la condensazione di Bose-Einstein (BEC) può avvenire tra 50 K e 100 K in organico Sistemi di materiali 2D (vedi figura) attraverso il loro calcolo. Questa temperatura BEC è di ordini di grandezza superiore a quella precedentemente ottenuta utilizzando gli atomi. Le particelle che condensano nei sistemi di materiale organico-2D sono coppie elettrone-lacuna (eccitoni) che vengono indotte nel sistema attraverso l'irradiazione con la luce. L'elettrone risiede nel semiconduttore 2D (bisolfuro di molibdeno, MoS2 ) e il buco nella molecola organica (zinco ftalocianina, ZnPc), in quello che viene chiamato "eccitone di trasferimento di carica". La separazione spaziale tra l'elettrone e la lacuna, insieme alla natura fortemente legata degli eccitoni in questi materiali a bassa dimensione, si traduce in una lunga vita degli eccitoni, che è fondamentale per il verificarsi di BEC. Fondamentalmente, la temperatura BEC prevista è molto più alta di quella degli atomi. Questo perché la temperatura BEC è inversamente proporzionale alla massa delle particelle e la massa dell'eccitone è molto più piccola delle tipiche masse atomiche.
Prima di questa previsione, il BEC degli eccitoni di trasferimento di carica è stato osservato a circa 100 K in doppi strati di materiali 2D. Tuttavia, una difficoltà pratica nella realizzazione del BEC in questi sistemi era la necessità di un attento allineamento dei due strati di materiale. I doppi strati disallineati ospitano eccitoni con grande quantità di moto, che ostacolano la formazione del condensato. Nel caso di sistemi di materiale organico-2D, la stretta larghezza di banda degli stati molecolari implica che gli eccitoni di trasferimento di carica hanno un momento molto piccolo, favorendo così la formazione di BEC.
Il professor Quek ha affermato:"Le molecole organiche come le ftalocianine dei metalli di transizione formano facilmente monostrati ordinati e autoassemblati su materiali 2D. Si prevede che la previsione del BEC ad alta temperatura degli eccitoni nei sistemi di materiali organici-2D porti a realizzazioni più pratiche di questo stato esotico della materia e apre la strada allo studio di applicazioni intriganti relative ai condensati di Bose-Einstein". + Esplora ulteriormente
