La condensation d'excitons à impulsion non nulle peut donner naissance à des ondes dites de densité de charge (CDW). Ce phénomène peut provoquer la transition des matériaux vers une nouvelle phase quantique fascinante, connue sous le nom d'isolant excitonique.
Des chercheurs de l'Université Jiao Tong de Shanghai et d'autres instituts ont récemment mené une étude explorant la possibilité que cette transition métal-isolant puisse se produire dans le HfTe2 semi-métallique atomiquement mince. . Leurs observations, décrites dans Nature Physics , a dévoilé d'éventuelles transitions CDW excitoniques et métal-isolant dans le matériau atomiquement mince.
"La formation de CDW dans les matériaux a divers mécanismes (par exemple, imbrication de surface de Fermi, distorsions du réseau, etc.) et l'exclusion d'autres mécanismes de formation de CDW est la clé pour identifier l'existence d'un isolant excitonique", Peng Chen, auteur correspondant de l'étude. papier, a déclaré à Phys.org.
"Notre équipe de recherche a précédemment mené une série d'études sur les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels, notamment TiSe2 et ZrTe2 pour explorer ce phénomène nouveau. Malheureusement, la distorsion du réseau est toujours mise en évidence dans les dispersions de phonons calculées, même si elle ne constitue peut-être pas la principale force motrice dans ces matériaux. »
S'appuyant sur leurs travaux antérieurs, les chercheurs ont entrepris de sonder l'existence de CDW et d'une transition métal-isolant dans des films minces d'un autre matériau, à savoir HfTe2. . Après avoir observé avec succès ces deux phénomènes, ils ont effectué des calculs de phonons pour valider leurs observations.
Ces calculs ont montré que le HfTe2 monocouche ne présente pas d’instabilité structurelle. De plus, les mesures de diffraction Raman et des rayons X n'ont révélé aucune distorsion significative du réseau, fournissant ainsi une preuve solide de l'origine électronique de la transition métal-isolant dans le HfTe2 monocouche. .
"Une caractéristique notable de la condensation des excitons est la sensibilité à la concentration de porteurs près de la surface de Fermi", a expliqué Peng. "Un petit nombre de porteurs et une concentration équilibrée de porteurs de type n et de type p peuvent en principe bénéficier à la condensation des excitons. Nous avons constaté qu'une petite quantité de dopage de type n augmentait de manière significative la température de transition du HfTe2 , ce qui est différent des autres types de mécanismes de transition comme le CDW de type Peierls."
Les découvertes récentes recueillies par Peng et ses chercheurs suggèrent que le HfTe 2 atomiquement mince pourrait être le premier isolant excitonique connu dans un solide naturel avec une origine de transition purement électronique. Les chercheurs ont jusqu'à présent validé leurs résultats via divers calculs et analyses.
"En réduisant la dimensionnalité du matériau, les effets d'écran autour du niveau de Fermi peuvent être réduits, ce qui profite à la condensation des excitons", a déclaré Peng. "Nous avons préparé avec succès du HfTe2 monocouche et multicouche couches minces par épitaxie par jet moléculaire. Les mesures de spectroscopie de photoémission résolues en angle ont révélé une transition métal-isolant lorsque l'épaisseur était inférieure à trois couches. Le sommet de la bande de valence formait une bande plate à basse température, ouvrant un espace près de la surface de Fermi. De plus, des bandes pliées sont apparues près de la pointe, une caractéristique typique de la formation de CDW."
Le nouvel isolant excitonique découvert par cette équipe de recherche pourrait jeter les bases d'études supplémentaires axées sur les effets quantiques exotiques découlant de l'interaction entre les états isolants excitoniques et d'autres ordres (par exemple, la topologie et les états corrélés de spin). Dans leurs futurs travaux, Peng et ses collègues prévoient d'examiner plus en détail la phase de l'isolant quantique qu'ils ont observée, afin de mieux comprendre sa physique sous-jacente.
"Contrairement aux paires de Cooper traditionnelles dans les supraconducteurs, les excitons ont une énergie de liaison plus importante, ce qui les rend propices à la condensation à des températures plus élevées", a ajouté Peng. "Par conséquent, l'étude des isolants excitoniques est d'une grande importance pour comprendre des phénomènes tels que la supraconductivité et la superfluidité à haute température. Comme la formation d'exciton est très sensible au nombre de porteurs et à la bande interdite, des stimuli externes tels que le déclenchement électrique ou la déformation peuvent être utilisé pour contrôler délicatement la concentration de porteurs ou la structure de bande et donc le paramètre d'ordre de la cohérence électron-trou."
Plus d'informations : Qiang Gao et al, Observation d'éventuelles ondes de densité de charge excitonique et de transitions métal-isolant dans des semi-métaux atomiquement minces, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02349-0
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