Forskare från National University of Singapore har förutspått att ett exotiskt tillstånd av materia känt som ett Bose-Einstein-kondensat kan existera vid relativt höga temperaturer (cirka 50 K till 100 K) i system som består av organiska molekyler på tvådimensionella (2D) halvledande material.

Ett Bose-Einstein-kondensat är ett materiatillstånd där alla partiklar har samma energi och är helt koordinerade. Ur en fysisk synvinkel klumpar dessa partiklar ihop och börjar bete sig som om de är en del av en enda större partikel. 2001 års Nobelpris i fysik delades ut för förverkligandet av Bose-Einstein kondensation. Detta fenomenala genombrott uppnåddes först i en samling rubidiumatomer vid en ultralåg temperatur på 20 nK. Denna kontroll av materiens tillstånd förväntas leda till tekniska genombrott och möjliggör även förverkligandet av superfluiditet.

I detta arbete förutspådde professor Quek Su Ying från Institutionen för fysik, National University of Singapore, och hennes postdoktor, Dr. Ulman Kanchan, att Bose-Einstein-kondensering (BEC) kan ske vid cirka 50 K till 100 K i organiskt material. 2D materialsystem (se figur) genom deras beräkning. Denna BEC-temperatur är storleksordningar högre än den som tidigare uppnåtts med användning av atomer. Partiklarna som kondenserar i de organiska 2D-materialsystemen är bundna elektron-hålpar (excitoner) som induceras i systemet genom bestrålning med ljus. Elektronen finns i 2D-halvledaren (molybdendisulfid, MoS₂ ) och hålet i den organiska molekylen (zinkftalocyanin, ZnPc), i vad som kallas en "laddningsöverföringsexciton". Den rumsliga separationen mellan elektronen och hålet, tillsammans med den starkt bundna naturen hos excitonerna i dessa lågdimensionella material, resulterar i långa excitonlivslängder, vilket är avgörande för att BEC ska äga rum. Avgörande är att den förutsagda BEC-temperaturen är mycket högre än den i atomer. Detta beror på att BEC-temperaturen är omvänt proportionell mot partikelmassan, och excitonmassan är mycket mindre än typiska atommassor.

Före denna förutsägelse observerades BEC av excitoner för laddningsöverföring vid cirka 100 K i dubbelskikt av 2D-material. En praktisk svårighet i förverkligandet av BEC i dessa system var emellertid behovet av noggrann inriktning av de två materialskikten. Felinriktade dubbelskikt är värd för excitoner med stor fart, vilket hindrar bildandet av kondensatet. När det gäller system med organiska 2D-material, innebär den smala bandbredden för de molekylära tillstånden att excitonerna för laddningsöverföring har mycket liten rörelsemängd, vilket gynnar BEC-bildning.

Prof Quek sa:"Organiska molekyler som övergångsmetallftalocyaniner bildar lätt ordnade, självmonterade monolager på 2D-material. Förutsägelsen av högtemperatur BEC av excitoner i organiska 2D-materialsystem förväntas leda till mer praktiska realiseringar av detta exotiska tillstånd. av materia, och banar väg för studier av spännande tillämpningar relaterade till Bose-Einstein-kondensat." + Utforska vidare

Spontan Bose-Einstein-kondensering av excitoner