Trois types d'isolateurs. (a) Isolateurs avec une bande interdite à la surface de Fermi, y compris les isolateurs de bande, Isolateurs Mott, et les isolateurs Anderson. (b) Isolateurs topologiques, où il y a des états de surface topologiquement protégés à l'intérieur de la bande interdite. (c) Isolateurs excitoniques, où les électrons et les trous sont liés ensemble et forment des excitons à la surface de Fermi. Crédit :FLOTTE
Une collaboration Université de Wollongong / Université Monash a mis en évidence une nouvelle phase de la matière prédite dans les années 1960 :l'isolant excitonique.
Les signatures uniques d'une phase isolante excitonique ont été observées dans des nanoflocons d'antimoine Sb(110).
Les résultats fournissent une nouvelle stratégie pour rechercher davantage d'isolants excitoniques potentiellement capables de transporter des superfluides d'excitons, et d'autres études seront nécessaires pour bien comprendre la riche physique de cette nouvelle phase de la matière.
Fond
"La découverte de nouvelles phases de la matière est l'un des objectifs majeurs de la physique de la matière condensée et est importante pour le développement de nouvelles technologies pour l'électronique à basse énergie qui est l'objectif principal du centre ARC de FLEET, " déclare le professeur Xiaolin Wang (UOW).
"Dans les années 1960, il a été proposé que dans les petits matériaux à bande interdite indirecte, des excitons peuvent se former spontanément parce que la densité des porteurs est trop faible pour masquer l'interaction attrayante de Coulomb entre les électrons et les trous." a déclaré le Dr Zhi Li, le premier auteur et actuellement FLEET AI et un boursier ARC DECRA co-mentoré par le professeur Wang et le professeur Fuhrer.
Le résultat est une nouvelle phase isolante à interaction forte connue sous le nom d'isolant excitonique.
Dans la famille des isolants, le premier membre est le bandgap, isolant 'ou 'trivial'.
Outre les isolateurs à bande interdite, d'autres états isolants peuvent survenir sous l'effet d'interactions ou de désordres électron-électron couplés à des interférences quantiques, par exemple:
L'isolant excitonique, une nouvelle phase de la matière au point de transition critique entre l'isolant et le métal a été proposée dans les années 1960 par de nombreux pionniers de la physique de la matière condensée.
Dans un isolant excitonique, les particules bosoniques plutôt que les électrons déterminent les propriétés physiques.
On a prédit que les isolants excitoniques hébergeraient de nombreuses propriétés nouvelles, dont l'excitonium cristallisé, superfluidité et supraconductivité excitonique à haute température, et les percées dans la découverte de cette nouvelle classe d'isolants ont attiré l'attention des physiciens de la matière condensée et des scientifiques des matériaux bidimensionnels.
L'étude
L'équipe de recherche a utilisé la microscopie à effet tunnel (STM) et la spectroscopie (STS) pour montrer que l'interaction de Coulomb améliorée dans les nanoflocons d'antimoine élémentaire confinés quantiques conduit le système à l'état d'isolant excitonique.
La caractéristique unique de l'isolant excitonique, une onde de densité de charge (CDW) sans distorsion périodique du réseau, a été directement observé. Par ailleurs, STS montre un écart induit par le CDW près de la surface de Fermi.
Ces observations suggèrent que le nanoflocon d'antimoine (Sb(110)) est un isolant excitonique.
"Possible Excitonic Insulating Phase in Quantum-Confined Sb Nanoflakes" a été publié dans Lettres nano en juillet 2019.
La théorie
Excitants, qui sont bosoniques, paires fortement liées d'électrons et de trous, sont formés par l'interaction attractive électron-trou de Coulomb, en abaissant l'énergie du système de la valeur de l'énergie de liaison (Eb).
Si de tels excitons pouvaient se former spontanément, alors le résultat serait une phase isolante excitonique.
Dans les semi-conducteurs ou les isolants, la formation d'un exciton nécessite de surmonter l'énergie de bande interdite Eg nécessaire pour créer une paire électron-trou. La formation spontanée d'excitons exige que Eb> Par exemple. Cependant, Eg est généralement beaucoup plus grand que Eb dans les semi-conducteurs et les isolants, empêchant la formation spontanée d'excitons.
Dans ce travail, les chercheurs ont profité de la forte interaction coulombienne dans les matériaux très minces pour favoriser la phase isolante excitonique dans l'antimoine.
Précédent travail
Jusqu'à maintenant, de nombreux matériaux montrant CDW ont été identifiés comme le candidat des isolants excitoniques.
Malheureusement, ces isolants excitoniques candidats présentent une forte distorsion périodique du réseau (PLD), indiquant que le CDW était entraîné par un couplage électron-phonon plutôt que par des états isolants excitoniques.
La nouvelle étude fournit des preuves solides de la phase isolante excitonique dans les nanoflocons d'antimoine par l'observation de CDW sans PLD.
