Den nya kvasipartikeln med namnet ‘polaronic trion’ avslöjades av ett team som leddes av prof. T. Venky Venkatesan (bakre raden, först från vänster) från NUSNNI. Hans lag inkluderar (bakre raden, från vänster) Assoc Prof Shaffique Adam, Dr Soumya Sarkar, Dr Sreetosh Goswami, (sittande, från vänster) Dr Maxim Trushin, Dr Sinu Mathew, samt sex andra forskare. Kredit:National University of Singapore
Upptäckten av en ny kvasipartikel är analog med upptäckten av en ny molekyl, förutom att molekyler innehåller olika element, medan kvasipartiklar är gjorda av grundläggande partiklar och interaktioner. Eftersom varje molekyl har sina egna unika egenskaper, så gör kvasipartiklar, och upptäckten av en ny ger en rad möjliga tekniska tillämpningar.
En ny kvasipartikel med namnet "polaronic trion, "upptäcktes i molybdendisulfid (MoS 2 ) av ett team från National University of Singapore (NUS), kan användas för att designa en optisk modulator för synligt ljus som styrs av både temperatur och elektriska fält.
Forskningsinsatsen för detta genombrott leddes av professor T Venky Venkatesan, Direktör för NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI), och publicerades i Avancerade material den 26 augusti 2019.
Bildandet av den nya kvasipartikeln
En kvasipartikel är i huvudsak en komposit som bildas på grund av växelverkan mellan elementära partiklar. Till exempel, coulomb -interaktionen mellan motsatt laddade partiklar, både elektroner och hål, i en halvledare ger upphov till en kvasipartikel, känd som exciton. "Nyligen rapporterades att i elektronrika halvledare, en extra elektron kan binda till en exciton för att bilda en ny kvasipartikel som kallas 'trion, '"delade prof Venkatesan.
I detta fall, forskarna upptäckte att när ett atomiskt tunt lager av MoS 2 odlas på en enda kristall av strontiumtitanat (SrTiO 3 ), den laddade trionen i MoS 2 kan vidare interagera med atomvibrationerna i SrTiO 3 gitter för att bilda en ny kvasipartikel. Naturen hos denna interaktion liknar den mellan elektroner och gittervibrationer (eller fononer) i fasta ämnen, ger upphov till en annan kvasipartikel som kallas en 'polaron'. Därav, de kallade den nya kvasipartikeln för en 'polaronic trion'.
"Den polaroniska trionen kan visualiseras som en rysk tedocka, eller Matryoshka. Inuti den polaroniska trionen finns en bar trion, inuti vilket är en exciton som i sig är gjord av elektroner och hål, "förklarade docent Shaffique Adam, en av verkets huvudförfattare, som är från NUS Department of Physics, Yale-NUS College och Center for Advanced 2-D Materials (CA2DM).
Betydelsen av den polaroniska trionen
"Trioner och excitoner i 2-D-material som MoS 2 är intressanta eftersom dessa kan absorbera och avge ljus, "sa Dr Soumya Sarkar, den första författaren till publikationen som är från NUSNNI och NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering. Han upptäckte detta fenomen under sin doktorandforskning under prof Venkatesan.
Han lade till, "Vanligtvis, fononer har energier som är för stora för att kunna kopplas ihop med en trion. Det är här SrTiO 3 kristall är speciell eftersom den genomgår en strukturell fasövergång vid temperaturer under -120 ° C och ger upphov till en särskild atomvibration, det mjuka läget. "
Det här mjuka läget har en energi som är i samma ordning som den för bar trion, och möjliggör en stark koppling mellan trion av MoS 2 och SrTiO 3 fononer för att bilda den nya enheten, "polaronstrionen." Medan normala gittervibrationer minskar när kristallen fryser vid låga temperaturer, mjukt läge vibrationer, å andra sidan, är mycket förbättrad, överensstämmer med observationerna.
En annan viktig egenskap hos denna kvasipartikel är dess känslighet för elektriska fält. Dr Sreetosh Goswami från NUSNNI, som är en av huvudförfattarna till denna uppsats, utarbetat, "Det vi observerar här är en mångkroppsinteraktion och inställning av den interaktionen med ett externt elektriskt fält. Detta är den heliga gralen i kondenserad fysik, och sådana exempel är ganska sällsynta. "
Han fortsatte, "För mig, den mest spännande delen av hela denna studie är den elektriska fältinställningen av polaroniska trioner genom att manipulera de mjuka fononerna i SrTiO 3 . Möjligheten att justera sin bindningsenergi med nästan 40 meV med hjälp av en spänningsförspänning är mycket mer än någon annan som tidigare rapporterats, och kräver bara en ringa mängd extern energi. "
Teoretiskt sett kopplingen är ovanlig eftersom detta är den första observationen av en så stark gränssnittsfononkoppling som involverar rotationsfononer. "Vi har utökat ett gammalt resultat av Feynman och Fröhlich för att förklara denna interaktion. Faktum är att 2-D-material interagerar starkt med sin omgivning och detta var avgörande för denna koppling, "tillade Dr. Maxim Trushin, en teoretisk fysiker vid CA2DM som utförde alla beräkningar som ingår i uppsatsen och föreslog kvasipartikelbilden för att förklara det observerade fenomenet.
Nästa steg
Dr Sinu Mathew, som initierade 2-D materialinsatsen vid NUSNNI under prof Venkatesan och är en nyckelspelare i denna forskning, gav en bredare bild av denna upptäckt. Han sa, "Nittio procent av forskningen om 2-D-material använder SiO2 eller sexkantig bornitrid som substrat. Det kan vara bra att utforska kvantegenskaper hos 2-D-material, men om du vill utforska gränssnittsinteraktioner, oxid substrat kan vara mycket mer intressant eftersom de har rika kvantfunktioner. I detta dokument rapporterar vi samspelet mellan MoS 2 och SrTiO 3 , men det finns mycket mer utrymme att utforska. "
Nyligen, det har varit mycket spänning när det gäller excitonbaserade sammankopplingar. "Den polaroniska trionen är laddad och därför skulle det vara lättare att styra med applicerade spänningar, vilket gör den till en nyckelspelare på detta område, "avslutade prof Venkatesan." Faktum är att vi redan har börjat observera polaroniska trioner i andra 2-D-halvledare och arbetar med att demonstrera en funktionell enhet baserad på denna nya kvasipartikel. "
