Blandning och matchning av beräkningsmodeller av 2D-material ledde forskare vid Rice University till insikten att excitoner - kvasipartiklar som existerar när elektroner och hål kort binder - kan manipuleras på nya och användbara sätt.

Forskarna identifierade en liten uppsättning 2D-föreningar med liknande atomgitterdimensioner som, när de placeras tillsammans, skulle tillåta excitoner att bildas spontant. Rent generellt, excitoner inträffar när energi från ljus eller elektricitet förstärker elektroner och hål till ett högre tillstånd.

Men i några av de kombinationer som förutspåtts av rismaterialteoretikern Boris Yakobson och hans team, excitoner observerades stabiliseras vid materialens grundtillstånd. Enligt deras beslutsamhet, dessa excitoner vid sitt lägsta energitillstånd skulle kunna kondensera till en superfluidliknande fas. Upptäckten visar lovande för elektroniska, spintronic och kvantberäkningstillämpningar.

"Själva ordet "exciton" betyder att elektroner och hål "hoppar upp" till en högre energi, " sa Yakobson. "Alla kalla system sitter i sina lägsta möjliga energitillstånd, så inga excitoner är närvarande. Men vi fann en insikt om vad som verkar vara en paradox som Nevill Mott tänkte på för 60 år sedan:ett materiellt system där excitoner kan bildas och existera i grundtillståndet."

Den öppna studien av Yakobson, doktorand Sunny Gupta och forskaren Alex Kutana, hela Rice's Brown School of Engineering, dyker upp i Naturkommunikation .

Efter att ha utvärderat många tusen möjligheter, teamet modellerade exakt 23 dubbellagers heterostrukturer, deras lager hålls löst i linje av svaga van der Waals-krafter, och beräknade hur deras bandgap passade in när de placerades bredvid varandra. (Bandgap definierar det avstånd en elektron måste hoppa för att ge ett material dess halvledande egenskaper. Perfekta ledare – metaller eller halvmetaller som grafen – har inget bandgap.)

I sista hand, de tog fram fasdiagram för varje kombination, kartor som gjorde det möjligt för dem att se vilka som hade den bästa potentialen för experimentell studie.

"De bästa kombinationerna kännetecknas av en gitterparametermatchning och, viktigast, genom de speciella positionerna för de elektroniska banden som bildar ett brutet gap, även kallad typ III, " sa Yakobson.

Bekvämt, de mest robusta kombinationerna kan justeras genom att applicera stress genom spänning, krökning eller ett yttre elektriskt fält, skrev forskarna. Det skulle kunna göra det möjligt för excitonernas fastillstånd att ställas in för att anta de "perfekta vätskeegenskaperna" hos ett Bose-Einstein-kondensat eller ett supraledande BCS-kondensat.

"I ett kvantkondensat, bosoniska partiklar vid låga temperaturer upptar ett kollektivt kvantgrundtillstånd, "Gupta sa. "Det stöder makroskopiska kvantfenomen lika anmärkningsvärt som superfluiditet och supraledning."

"Kondensattillstånd är spännande eftersom de har bisarra kvantegenskaper och existerar i en vardaglig skala, tillgänglig utan mikroskop, och endast låg temperatur krävs, ", tillade Kutana. "Eftersom de är i lägsta möjliga energitillstånd och på grund av sin kvantnatur, kondensat kan inte förlora energi och beter sig som en perfekt friktionsfri vätska.

"Forskare har letat efter att realisera dem i olika fasta och gassystem, ", sa han. "Sådana system är mycket sällsynta, så att ha tvådimensionella material bland dem skulle avsevärt utöka vårt fönster in i kvantvärlden och skapa möjligheter för användning i nya, fantastiska enheter."

De bästa kombinationerna var sammansättningar av heterostrukturbiskikt av antimon-tellur-selen med vismut-tellur-klor; hafnium-kväve-jod med zirkonium-kväve-klor; och litium-aluminium-tellur med vismut-tellur-jod.

"Förutom att ha liknande gitterparametrar inom varje par, kemikompositionerna verkar ganska icke-intuitiva, ", sade Yakobson. "Vi såg inget sätt att förutse det önskade beteendet utan den noggranna kvantitativa analysen.

"Man kan aldrig förneka en chans att hitta serendipity - som Robert Curl sa, kemi handlar om att ha tur – men att sålla igenom hundratusentals materialkombinationer är orealistiskt i alla labb. Teoretiskt sett, dock, det kan göras."