Уникальные признаки экситонной изолирующей фазы наблюдались в нано-хлопьях сурьмы Sb (110).
Полученные данные обеспечивают новую стратегию поиска дополнительных экситонных изоляторов, потенциально способных нести экзиктонные сверхтекучие жидкости, и потребуются дальнейшие исследования, чтобы полностью понять богатую физику этой новой фазы материи.
Фон
«Открытие новых фаз материи является одной из основных целей физики конденсированного состояния и важно для разработки новых технологий для низкоэнергетической электроники, что является основной целью центра ARC в FLEET», – говорит профессор Сяолинь Ван (UOW).
«В 1960-х годах было предложено, что в материалах с малой непрямой запрещенной зоной экситоны могут спонтанно образовываться, поскольку плотность носителей слишком мала, чтобы экранировать притягивающее кулоновское взаимодействие между электронами и дырками."сказал доктор Чжи Ли, первый автор и в настоящее время FLEET AI и научный сотрудник ARC DECRA под руководством профессора Ванга и профессора Фюрера.
Результатом является новая сильно взаимодействующая изолирующая фаза, известная как экситонный изолятор.
В семействе изоляторов первым членом является запрещенная зона, или «тривиальный» изолятор.
Помимо изоляторов с запрещенной зоной, другие изолирующие состояния могут возникать из-за эффектов электрон-электронного взаимодействия или беспорядка в сочетании с квантовой интерференцией, например:
Изоляторы Андерсона, в которых электроны локализованы за счет квантовой интерференции
Топологические изоляторы, которые имеют щель в объеме, но бесщелевые проводящие состояния на поверхности / краю из-за инверсии зон.
Экситонный изолятор, новая фаза вещества в критической точке перехода между диэлектриком и металлом, был предложен в 1960-х годах многими пионерами физики конденсированного состояния.
В экситонном изоляторе физические свойства определяют не электроны, а бозонные частицы.
Было предсказано, что экситонные изоляторы обладают множеством новых свойств, включая кристаллизованный экситоний, сверхтекучесть и экситонную высокотемпературную сверхпроводимость, и прорывы в открытии этого нового класса изоляторов привлекли пристальное внимание физиков конденсированного состояния и исследователей двумерных материалов.
Изучение
Исследовательская группа использовала сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и спектроскопию (СТС), чтобы показать, что усиленное кулоновское взаимодействие в квантово-ограниченных наноструктурах элементарной сурьмы переводит систему в состояние экситонного изолятора.
Непосредственно наблюдалась уникальная особенность экситонного изолятора – волна зарядовой плотности (ВЗП) без периодического искажения решетки. Кроме того, STS показывает щель, вызванную ВЗП вблизи поверхности Ферми.
Эти наблюдения позволяют предположить, что наночастица сурьмы (Sb (110)) является экситонным диэлектриком.
Помимо финансирования Австралийским исследовательским советом (Центр передового опыта, Future Fellowship, Discovery Projects, фонды DECRA и LIEF и стипендия лауреатов), поддержка была предоставлена Программой стипендий вице-канцлера Университета Вуллонгонга для постдокторских исследований.
Теория
Экситоны, которые представляют собой бозонные, прочно связанные пары электронов и дырок, образуются через притягивающий электрон?кулоновское взаимодействие дырки, понижающее энергию системы на величину энергии связи (Eb).
Если бы такие экситоны могли образовываться спонтанно, то результатом была бы фаза экситонного изолятора.
В полупроводниках или изоляторах образование экситона требует преодоления энергии запрещенной зоны Eg, необходимой для создания электрона?пара отверстий.
Спонтанное образование экситонов требует, чтобы Eb> Eg. Однако в полупроводниках и изоляторах Eg обычно намного больше, чем Eb, что предотвращает спонтанное образование экситонов.
В этой работе исследователи использовали сильное кулоновское взаимодействие в очень тонких материалах для продвижения фазы экситонного изолятора в сурьме.
Предыдущая работа
До сих пор многие материалы, показывающие CDW, были идентифицированы как кандидаты в экситонные изоляторы.
К сожалению, эти кандидаты в экситонные изоляторы демонстрируют сильное периодическое искажение решетки (PLD), что указывает на то, что ВЗП была вызвана электрон-фононным взаимодействием, а не состояниями экситонного изолятора.
Новое исследование предоставляет твердые доказательства наличия фазы экситонного изолятора в нанофластиках сурьмы путем наблюдения ВЗП без ИЛО.