El estudio demostró que el dicloruro de tungsteno monocapa es un aislante excitónico

Dicloruro de tungsteno (WTe₂) es un dicalcogenuro de metal de transición con muchas propiedades y propiedades útiles, lo que lo convierte en un material ideal para una amplia gama de aplicaciones electrónicas. Estudios previos demostraron que 2D WTe₂ Los cristales dispuestos en una sola capa forman el primer aislante topológico de una sola capa, que exhibe propiedades topológicas que sobreviven a temperaturas muy altas (~100 K).

En los últimos años, los físicos han podido comprender bastante bien el origen de la topología de la materia. Sin embargo, las razones por las que WTe₂ monocapa Comportarse como un aislante (es decir, los electrones no pueden moverse libremente en el material) sigue sin estar claro. Las predicciones teóricas y los cálculos indican que el material debería ser en principio semimetálico, en el que los electrones y los huecos coexistan y se muevan libremente.

Investigadores de la Universidad de Princeton realizaron recientemente un estudio sobre las propiedades electrónicas de la monocapa de WTe₂, esperando una mejor comprensión de las razones por las que actúa como aislante. Su trabajo fue publicado en Física de la naturaleza, proporciona una fuerte evidencia de que el material es un aislante excitónico, que surge de la formación espontánea de un agujero de electrones Los estados están obligados Conocidos como «excitones».

“El propósito inicial de nuestro trabajo era comprender las propiedades cuánticas de la nueva monocapa bidimensional WTe₂Sanfeng Wu, uno de los investigadores que realizó el estudio, le dijo a Phys.org. A lo largo de los años, varias formas de explicar el origen del estado del aislador se han discutido de manera inconsistente en la literatura. Nuestro trabajo llevó a cabo un estudio sistemático para abordar este rompecabezas y encontró pruebas sólidas de que este aislante 2D es un aislante excitónico, un estado cuántico buscado durante mucho tiempo de la materia electrónica en los sólidos. «

La existencia de aisladores excitónicos se predijo por primera vez en la década de 1960. En ese momento, los físicos sugirieron que en los semiconductores o en los semiconductores con brecha de metal, los electrones y los huecos a veces pueden combinarse para formar partículas complejas (es decir, excitones). Este proceso, a su vez, debe dar como resultado una fase fuertemente dieléctrica, que puede diferir significativamente de los dieléctricos estándar.

«Los excitones son partículas con carga neutra, como los átomos de hidrógeno», explicó Wu. «El concepto de excitones no es nuevo en la física de semiconductores, por ejemplo, los excitones juegan un papel clave en las excitaciones ópticas y las emisiones de semiconductores. Sin embargo, los excitones ópticamente excitados en los semiconductores tienen una vida muy corta, ya que deben decaer, por ejemplo, al emitir luz». dentro de un nanosegundo. Por el contrario, en un aislante excitónico, los excitones no emiten luz ni se descomponen».

En los aisladores excitónicos, los excitones están ocultos en el estado del aislador, lo que dificulta su detección experimental. Como consecuencia, demostrar de forma definitiva la existencia de estados aislantes excitónicos ha resultado ser todo un reto hasta ahora.

Para mostrar que WTe₂ La monocapa es un aislante excitónico, y Wu y sus colegas primero intentaron descartar todas las demás posibles explicaciones conocidas para el comportamiento de segregación. Esto incluía la posibilidad de una fase dieléctrica inducida por desorden y un aislador trivial con una banda prohibida similar a la de un semiconductor típico.

«Este es un paso muy importante pero generalmente muy difícil de hacer para los materiales de filtro 3D», dijo Wu. «Estudiamos el papel de las perturbaciones al comparar muestras con diferentes niveles de impurezas y descubrimos que las muestras más limpias albergan estados de secuestro más fuertes, y revelamos que el estado de secuestro es una propiedad intrínseca de la monocapa en el límite limpio, no debido a perturbaciones».

En sus experimentos, los investigadores también descartaron la posibilidad de que la capa WTe fuera una monocapa.₂ Es un aislante de banda. Para ello, escanearon 2D WTe₂ cristal usando espectroscopía de efecto túnel de electrones, una famosa y poderosa técnica para distinguir estados dieléctricos asociados de aisladores de banda triviales.

«Descubrimos que el estado dieléctrico de una sola capa evoluciona debido a la unión electrónica intrínseca», dijo Wu. «Combinando esto con el hecho de que el estado parece completamente en neutralidad de carga, lo que significa que la cantidad de electrones y huecos son exactamente iguales, queda claro que un aislante monocapa es un aislante excitónico».

Curiosamente, Wu y sus colegas también encontraron que la monocapa WTe₂ La muestra que examinaron mostró comportamientos de transferencia inusuales consistentes con los que se esperarían en un aislador axitónico. A continuación, desarrollaron un modelo teórico que tiene en cuenta las correlaciones electrón-hueco, lo que respalda la formación de una fase aislante excitónica.

«Combinamos dos hallazgos notables que pueden tener amplias implicaciones», dijo Wu. «Primero, nuestro estudio agrega un nuevo aspecto importante para comprender un material topológico bidimensional que también exhibe muchas propiedades cuánticas inusuales. Este descubrimiento revisa nuestra comprensión de la física cuántica, donde tanto la topología como las correlaciones electrónicas son importantes. Eventualmente podría conducir a nuevos descubrimientos, particularmente en estos La nueva clase de material.

El último estudio de este equipo de investigadores demostró que la monocapa de WTe₂ Es un candidato muy prometedor para el aislador de excitación bidimensional. En el futuro, otros estudios que examinen las monocapas WTe podrían beneficiarse₂ u otros materiales con estructuras similares, para explorar la posibilidad de una mayor detección de materiales aislantes excitónicos.

“Nuestro trabajo brinda oportunidades valiosas para abordar experimentalmente el problema de la cinemática de 6 décadas”, dijo Wu. «Nuestros hallazgos ya están inspirando nuevas ideas para la detección directa de excitones ocultos utilizando enfoques que son imposibles para los materiales candidatos anteriores».

Los resultados recopilados por Wu y sus colegas abren nuevas y emocionantes oportunidades para desarrollar nuevas técnicas experimentales para descubrir fases cuánticas neutras ocultas en aisladores. Esto podría mejorar la comprensión actual de los aisladores eléctricos y, lo que es más importante, conducir al descubrimiento de nuevos tipos de aisladores eléctricos que van más allá de los estándar.

“Nuestro trabajo identifica monocapa WTe₂ Como una plataforma única y sin precedentes para futuros estudios no solo del estado aislante excitónico sino también de posibles nuevas fases cuánticas como la superconductividad excitónica, especialmente desde la monocapa WTe₂ Puede ser sintonizado eléctricamente por excitónico aislante Yanyu Jia, estudiante de posgrado y autor principal del artículo, le dijo a Phys.org que superconductor caso por caso. «Revelar las relaciones fundamentales entre las dos fases será muy interesante y ciertamente profundizará nuestra comprensión de los fenómenos cuánticos en los materiales».

En sus próximos estudios, Wu, Jia y sus colegas intentarán idear procedimientos experimentales alternativos que les permitan detectar excitones en estado fundamental de manera más directa y concluyente. Además, desean realizar más investigaciones centradas en las posibles nuevas fases cuánticas que podrían caracterizar a los aisladores excitónicos.

“Uno de los factores clave aquí es que no estamos tratando con excitones individuales; en cambio, la densidad de excitones aquí es ~10¹² veneno^-2añadió Wu. «Al igual que con muchos átomos juntos, podemos tener diferentes fases de la materia, y esperamos que estos excitones formen muchas fases electrónicas nuevas e interesantes de varios tipos. Por lo tanto, debe haber un rico mundo cuántico escondido en tales aisladores eléctricos y esperamos para revelarlo.”

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