Beweis, dass atomar dünnes Hafniumtellurid ein exzitonischer Isolator ist.

9. Februar 2024 Funktion

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben dabei die folgenden Merkmale hervorgehoben, um die Glaubwürdigkeit des Inhalts sicherzustellen:

• Faktenüberprüfung
• Peer-Review-Publikation
• Vertrauenswürdige Quelle
• Korrekturgelesen

von Ingrid Fadelli , Phys.org

Die Kondensation von Exzitonen mit nicht-nullischem Impuls kann zur Entstehung sogenannter Ladungsdichtewellen (CDW) führen. Dieses Phänomen kann den Übergang von Materialien in eine faszinierende neue Quantenphase, bekannt als exzitonischer Isolator, bewirken.

Forscher der Shanghai Jiao Tong University und anderer Institute haben kürzlich eine Studie durchgeführt, um die Möglichkeit eines solchen Metall-Isolator-Übergangs im atomar dünnen Halbmetall HfTe2 zu untersuchen. Ihre Beobachtungen, die in Nature Physics beschrieben sind, enthüllten mögliche exzitonische CDW- und Metall-Isolator-Übergänge in dem atomar dünnen Material.

"Die Bildung von CDW in Materialien hat verschiedene Mechanismen (z. B. Fermi-Oberflächen-Nesting, Gitterverzerrungen usw.) und die Ausschluss anderer CDW-Bildungsmechanismen ist der Schlüssel zur Identifizierung der Existenz eines exzitonischen Isolators", sagte Peng Chen, korrespondierender Autor des Artikels, zu Phys.org.

"Unsere Forschungsgruppe hat zuvor eine Reihe von Studien zu zweidimensionalen Übergangsmetall-Dichalkogeniden durchgeführt, darunter TiSe2 und ZrTe2, um dieses neuartige Phänomen zu erforschen. Leider sind in den berechneten Phonon-Dispersionsgraphen weiterhin Gitterverzerrungen erkennbar, obwohl sie möglicherweise nicht die Hauptantriebskraft in diesen Materialien sind."

Aufbauend auf ihren früheren Arbeiten haben die Forscher sich zum Ziel gesetzt, die Existenz von CDW und einem Metall-Isolator-Übergang in dünnen Filmen eines anderen Materials, nämlich HfTe2, zu untersuchen. Nachdem sie beide Phänomene erfolgreich beobachtet hatten, führten sie Phonon-Berechnungen durch, um ihre Beobachtungen zu validieren.

Diese Berechnungen zeigten, dass Einlags-HfTe2 keine strukturelle Instabilität aufweist. Darüber hinaus enthüllten Raman- und Röntgenbeugungsmessungen keine signifikanten Gitterverzerrungen, was starke Hinweise auf den elektronischen Ursprung des Metall-Isolator-Übergangs in Einlags-HfTe2 liefert.

"Ein bemerkenswertes Merkmal der Exziton-Kondensation ist die Empfindlichkeit für die Ladungsträgerkonzentration in der Nähe der Fermi-Oberfläche", erklärte Peng. "Eine geringe Anzahl von Ladungsträgern und ein ausgewogenes Verhältnis von n-Typ- und p-Typ-Ladungsträgern können prinzipiell der Exziton-Kondensation zugute kommen. Wir haben festgestellt, dass eine geringe Menge an n-Typ-Dotierung die Übergangstemperatur von Einlags-HfTe2 signifikant erhöht, was sich von anderen Arten von Übergangsmechanismen wie Peierls-typischen CDW unterscheidet."

Die jüngsten Erkenntnisse von Peng und seinen Forschern legen nahe, dass das atomar dünne HfTe2 der erste bekannte exzitonische Isolator in einem natürlichen Festkörper mit rein elektronischem Übergang sein könnte. Die Forscher haben ihre Ergebnisse bisher mit verschiedenen Berechnungen und Analysen validiert.

"Durch die Verringerung der Materialdimensionalität können die Abschirmeffekte um das Fermi-Niveau reduziert werden, was der Exziton-Kondensation zugute kommt", sagte Peng. "Wir haben erfolgreich Einlags- und Mehrschicht-HfTe2-Dünnschichten mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Messungen der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie ergaben einen Metall-Isolator-Übergang, wenn die Dicke weniger als drei Lagen betrug. Das Valenzbandoberteil bildete bei niedrigen Temperaturen ein flaches Band und öffnete eine Lücke in der Nähe der Fermi-Oberfläche. Zusätzlich traten gefaltete Bänder in der Nähe des Punktes auf, ein typisches Merkmal der CDW-Bildung."

Der durch dieses Forschungsteam entdeckte neue exzitonische Isolator könnte die Grundlage für weitere Studien bilden, die sich auf exotische quantenmechanische Effekte konzentrieren, die sich aus der Wechselwirkung zwischen exzitonisch isolierenden Zuständen und anderen Ordnungen (z. B. Topologie und spin-korrelierte Zustände) ergeben. In ihrer zukünftigen Arbeit planen Peng und seine Kollegen, die von ihnen beobachtete Quantenisolatorphase genauer zu untersuchen, um ihre zugrunde liegende Physik besser zu verstehen.

"Im Gegensatz zu traditionellen Cooper-Paaren in Supraleitern haben Exzitonen eine größere Bindungsenergie, was sie zu einer Kondensation bei höheren Temperaturen geeignet macht", fügte Peng hinzu. "Daher ist die Untersuchung exzitonischer Isolatoren von großer Bedeutung für das Verständnis von Phänomenen wie Hochtemperatursupraleitung und Suprafluidität. Da die Bildung von Exzitonen sehr empfindlich auf die Anzahl der Ladungsträger und die Bandlücke reagiert, können externe Reize wie elektrische Anregung oder Spannung zur feinfühligen Steuerung der Ladungsträgerkonzentration oder Bandstruktur und damit der Ordnungsparameter der Elektron-Loch-Kohärenz verwendet werden."

Journal-Informationen: Nature Physics

© 2024 Science X Network