Kondensationen av excitoner med momentum som inte är noll kan ge upphov till så kallade ladddensitetsvågor (CDW). Detta fenomen kan leda till övergången av material till en fascinerande ny kvantfas, känd som en excitonisk isolator.
Forskare vid Shanghai Jiao Tong University och andra institut genomförde nyligen en studie som undersökte möjligheten att denna metallisolatorövergång kan inträffa i det atomärt tunna halvmetalliska HfTe2 . Deras observationer, som beskrivs i Nature Physics , avslöjade möjliga excitoniska CDW- och metallisolatorövergångar i det atomärt tunna materialet.
"Bildandet av CDW i material har olika mekanismer (t.ex. Fermi-yta, gallerförvrängningar, etc.) och uteslutning av andra CDW-bildningsmekanismer är nyckeln till att identifiera existensen av en excitonisk isolator," Peng Chen, motsvarande författare till papper, berättade för Phys.org.
"Vårt forskarteam har tidigare genomfört en serie studier på tvådimensionella dikalkogenider av övergångsmetall inklusive TiSe2 och ZrTe2 att utforska detta nya fenomen. Tyvärr är gitterförvrängning fortfarande påvisad i de beräknade fonondispersionerna, även om det kanske inte är den huvudsakliga drivkraften i dessa material."
Med utgångspunkt i sina tidigare arbeten försökte forskarna undersöka förekomsten av CDW och en metallisolatorövergång i tunna filmer av ett annat material, nämligen HfTe2 . Efter att ha lyckats observera båda dessa fenomen utförde de fononberäkningar för att validera sina observationer.
Dessa beräkningar visade att enskikts HfTe2 uppvisar inte strukturell instabilitet. Dessutom avslöjade Raman- och röntgendiffraktionsmätningar inte några signifikanta gitterförvrängningar, vilket gav starka bevis för det elektroniska ursprunget för metallisolatorövergången i enkelskikts HfTe2 .
"En anmärkningsvärd egenskap hos excitonkondensering är känsligheten för bärarkoncentration nära Fermi-ytan," förklarade Peng. "Ett litet antal bärare och balanserad koncentration av både n-typ och p-typ bärare kan i princip gynna excitonkondensationen. Vi fann att en liten mängd n-typ doping signifikant ökade övergångstemperaturen för enkelskikts HfTe2 , som skiljer sig från andra typer av övergångsmekanismer som Peierls-typ CDW."
De senaste fynden som Peng och hans forskare samlat in tyder på att atomärt tunt HfTe2 kan vara den första kända excitoniska isolatorn i ett naturligt fast ämne med ett rent elektroniskt övergångsursprung. Forskarna har hittills validerat sina resultat via olika beräkningar och analyser.
"Genom att sänka materialets dimensionalitet kan skärmningseffekterna kring Fermi-nivån minskas, vilket gynnar excitonkondenseringen," sa Peng. "Vi har framgångsrikt förberett en- och flerskikts HfTe2 tunna filmer genom molekylär strålepitaxi. Vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopi avslöjade en metallisolatorövergång när tjockleken var mindre än tre lager. Valensbandets topp bildade ett plant band vid låga temperaturer, vilket öppnade ett gap nära Fermi-ytan. Dessutom dök vikta band upp nära punkten, ett typiskt inslag i CDW-bildning."
Den nya excitoniska isolatorn som avslöjats av detta forskarlag skulle kunna lägga grunden för ytterligare studier som fokuserar på exotiska kvanteffekter som härrör från interaktion mellan excitoniska isolerande tillstånd och andra ordningar (t.ex. topologi och spinn-korrelerade tillstånd). I sitt framtida arbete planerar Peng och hans kollegor att undersöka den kvantisolatorfas som de observerade ytterligare för att bättre förstå dess underliggande fysik.
"Till skillnad från traditionella Cooper-par i supraledare har excitoner en större bindningsenergi, vilket gör dem gynnsamma för kondensering vid högre temperaturer," tillade Peng. "Därför är studiet av excitoniska isolatorer av stor betydelse för att förstå fenomen som högtemperatursupraledning och superfluiditet. Eftersom bildandet av exciton är mycket känsligt för antalet bärare och bandgap kan externa stimuli som elektrisk grindning eller töjning användas för att noggrant kontrollera bärarkoncentrationen eller bandstrukturen och därmed ordningsparametern för elektron-håls koherens."
Mer information: Qiang Gao et al, Observation av möjliga excitoniska laddningstäthetsvågor och metall-isolatorövergångar i atomärt tunna halvmetaller, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02349-0
Journalinformation: Naturfysik
© 2024 Science X Network
