Ett samarbete mellan University of Wollongong och Monash University har hittat bevis på en ny fas av materia som förutspåddes på 1960-talet:den excitoniska isolatorn.

De unika signaturerna för en excitonisk isolerande fas observerades i antimon Sb(110) nanoflingor.

Fynden ger en ny strategi för att söka efter mer excitoniska isolatorer som potentiellt kan bära excitonsuperfluider, och ytterligare studier kommer att krävas för att till fullo förstå den rika fysiken i denna nya fas av materia.

Bakgrund

"Upptäckten av nya faser av materia är ett av huvudmålen för den kondenserade materiens fysik och är viktigt för att utveckla nya teknologier för lågenergielektronik, vilket är huvudmålet för ARC-centret i FLEET, " säger professor Xiaolin Wang (UOW).

"På 1960-talet det föreslogs att i material med små indirekta bandgap, excitoner kan bildas spontant eftersom densiteten av bärare är för låg för att avskärma den attraktiva Coulomb-interaktionen mellan elektroner och hål." sa Dr. Zhi Li, den första författaren och för närvarande FLEET AI och en ARC DECRA-stipendiat med mentor av prof Wang och prof Fuhrer.

Resultatet är en ny starkt interagerande isolerande fas känd som en excitonisk isolator.

I isolatorfamiljen, den första medlemmen är bandgap, 'eller 'trivial' isolator.

Förutom bandgap isolatorer, andra isolerande tillstånd kan uppstå genom effekterna av elektron-elektron-interaktioner eller störningar i kombination med kvantinterferens, till exempel:

• Anderson isolatorer, där elektroner är lokaliserade av kvantinterferens
• Topologiska isolatorer, som har ett gap i bulken men gaplösa ledande tillstånd vid ytan/kanten på grund av bandinversion.

Den excitoniska isolatorn, en ny fas av materia i den kritiska övergångspunkten mellan isolator och metall föreslogs på 1960-talet av många pionjärer inom den kondenserade materiens fysik.

I en excitonisk isolator, bosoniska partiklar snarare än elektroner bestämmer de fysikaliska egenskaperna.

Excitoniska isolatorer har förutspåtts vara värd för många nya egenskaper, inklusive kristalliserat excitonium, superfluiditet och excitonisk supraledning vid hög temperatur, och genombrott för att hitta denna nya klass av isolatorer har väckt stor uppmärksamhet bland fysiker för kondenserad materia och forskare om tvådimensionella material.

Studien

Forskargruppen använde scanning tunneling microscopy (STM) och spektroskopi (STS) för att visa att den förbättrade Coulomb-interaktionen i kvantbegränsade elementära antimon-nanoflingor driver systemet till det excitoniska isolatortillståndet.

Den unika egenskapen hos den excitoniska isolatorn, en laddningsdensitetsvåg (CDW) utan periodisk gitterdistorsion, observerades direkt. Vidare, STS visar ett gap inducerat av CDW nära Fermi-ytan.

Dessa observationer tyder på att antimon (Sb(110)) nanoflaken är en excitonisk isolator.

"Possible Excitonic Insulating Phase in Quantum-Confined Sb Nanoflakes" publicerades i Nanobokstäver i juli 2019.

Teorin

Excitoner, som är bosoniska, starkt bundna par av elektroner och hål, bildas genom den attraktiva elektron-hålet Coulomb interaktion, sänkning av systemenergin med värdet av bindningsenergin (Eb).

Om sådana excitoner kunde bildas spontant, då skulle resultatet bli en excitonisk isolatorfas.

I halvledare eller isolatorer, bildandet av en exciton kräver att man övervinner bandgapenergin som behövs för att skapa ett elektron-hålpar. Den spontana bildningen av excitoner kräver att Eb> T.ex. Dock, T.ex. är vanligtvis mycket större än Eb i halvledare och isolatorer, förhindrar spontan excitonbildning.

I det här arbetet, forskarna utnyttjade den starka Coulomb-interaktionen i mycket tunna material för att främja den excitoniska isolatorfasen i antimon.

Tidigare arbete

Tills nu, många material som visar CDW har identifierats som kandidaten för excitoniska isolatorer.

Tyvärr, dessa excitoniska kandidatisolatorer visar stark periodisk gitterdistorsion (PLD), vilket indikerar att CDW drevs av elektron-fonon-koppling snarare än av excitoniska isolatortillstånd.

Den nya studien ger solida bevis för den excitoniska isolatorfasen i antimonnanoflingor genom observation av CDW utan PLD.