Le mélange et l'appariement de modèles informatiques de matériaux 2D ont conduit les scientifiques de l'Université Rice à réaliser que les excitons - des quasi-particules qui existent lorsque les électrons et les trous se lient brièvement - peuvent être manipulés de manières nouvelles et utiles.

Les chercheurs ont identifié un petit ensemble de composés 2-D avec des dimensions de réseau atomique similaires qui, lorsqu'ils sont placés ensemble, permettrait aux excitons de se former spontanément. Généralement, les excitons se produisent lorsque l'énergie de la lumière ou de l'électricité stimule les électrons et les trous dans un état supérieur.

Mais dans quelques-unes des combinaisons prédites par le théoricien des matériaux de Rice Boris Yakobson et son équipe, des excitons ont été observés se stabilisant à l'état fondamental des matériaux. Selon leur détermination, ces excitons à leur état d'énergie le plus bas pourraient se condenser en une phase de type superfluide. La découverte est prometteuse pour l'électronique, applications de l'informatique spintronique et quantique.

"Le mot 'exciton' signifie que les électrons et les trous 'sautent' dans une énergie plus élevée, " Yakobson a déclaré. " Tous les systèmes froids sont assis dans leurs états d'énergie les plus bas possibles, donc aucun exciton n'est présent. Mais nous avons trouvé une réalisation de ce qui semble un paradoxe tel que conçu par Nevill Mott il y a 60 ans :un système matériel où les excitons peuvent se former et exister dans l'état fondamental. »

L'étude en libre accès de Yakobson, l'étudiant diplômé Sunny Gupta et le chercheur Alex Kutana, tous de la Brown School of Engineering de Rice, apparaît dans Communication Nature .

Après avoir évalué plusieurs milliers de possibilités, l'équipe a modélisé avec précision 23 hétérostructures bicouches, leurs couches lâchement maintenues alignées par de faibles forces de van der Waals, et calculé comment leurs bandes interdites s'alignaient lorsqu'elles étaient placées l'une à côté de l'autre. (Les bandes interdites définissent la distance à laquelle un électron doit sauter pour conférer à un matériau ses propriétés semi-conductrices. Les conducteurs parfaits (métaux ou semi-métaux comme le graphène) n'ont pas de bande interdite.)

Finalement, ils ont produit des diagrammes de phases pour chaque combinaison, cartes qui leur permettaient de voir laquelle avait le meilleur potentiel pour une étude expérimentale.

"Les meilleures combinaisons se distinguent par une correspondance de paramètres de réseau et, le plus important, par les positions particulières des bandes électroniques qui forment un espace brisé, aussi appelé type III, " a déclaré Yakobson.

Idéalement, les combinaisons les plus robustes peuvent être ajustées en appliquant une contrainte par traction, courbure ou un champ électrique externe, les chercheurs ont écrit. Cela pourrait permettre d'ajuster l'état de phase des excitons pour adopter les propriétés de « fluide parfait » d'un condensat de Bose-Einstein ou d'un condensat supraconducteur BCS.

"Dans un condensat quantique, les particules bosoniques à basse température occupent un état fondamental quantique collectif, " a déclaré Gupta. "Cela prend en charge des phénomènes quantiques macroscopiques aussi remarquables que la superfluidité et la supraconductivité."

« Les états de condensation sont intrigants car ils possèdent des propriétés quantiques étranges et existent à une échelle quotidienne, accessible sans microscope, et seule une basse température est requise, " Kutana a ajouté. " Parce qu'ils sont à l'état d'énergie le plus bas possible et en raison de leur nature quantique, les condensats ne peuvent pas perdre d'énergie et se comportent comme un fluide parfait sans frottement.

« Les chercheurs ont cherché à les réaliser dans divers systèmes solides et gazeux, " dit-il. " De tels systèmes sont très rares, ainsi, avoir des matériaux bidimensionnels parmi eux élargirait considérablement notre fenêtre sur le monde quantique et créerait des opportunités d'utilisation dans de nouveaux, des appareils incroyables."

Les meilleures combinaisons étaient des assemblages de bicouches hétérostructures antimoine-tellure-sélénium avec bismuth-tellure-chlore; hafnium-azote-iode avec zirconium-azote-chlore; et lithium-aluminium-tellure avec bismuth-tellure-iode.

"Sauf pour avoir des paramètres de réseau similaires dans chaque paire, les compositions chimiques semblent plutôt non intuitives, " Yakobson a déclaré. "Nous ne voyions aucun moyen d'anticiper le comportement souhaité sans une analyse quantitative minutieuse.

"On ne peut jamais nier une chance de trouver un heureux hasard, comme l'a dit Robert Curl, la chimie consiste à avoir de la chance, mais passer au crible des centaines de milliers de combinaisons de matériaux est irréaliste dans n'importe quel laboratoire. Théoriquement, cependant, ça peut être fait."