Evidencia de que el hafnio telururo de grosor atómico es un aislante excitónico.

9 de febrero de 2024 característica

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

La condensación de excitones con momento no nulo puede dar lugar a las denominadas ondas de densidad de carga (CDW, por sus siglas en inglés). Este fenómeno puede llevar a la transición de materiales hacia una nueva fase cuántica fascinante, conocida como un aislante excitónico.

Investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghai y otros institutos llevaron a cabo recientemente un estudio para explorar la posibilidad de que esta transición metal-aislante pudiera ocurrir en el HfTe2 semimetallic de grosor atómico. Sus observaciones, descritas en Nature Physics, revelaron posibles transiciones CDW excitónicas y metal-aislante en el material de grosor atómico.

"La formación de CDW en materiales tiene diferentes mecanismos (por ejemplo, aparejamiento de superficie de Fermi, distorsiones reticulares, etc.) y la exclusión de otros mecanismos de formación de CDW es la clave para identificar la existencia de un aislante excitónico", dijo Peng Chen, autor correspondiente del artículo, a Phys.org.

"Nuestro equipo de investigación anteriormente llevó a cabo una serie de estudios sobre dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales, incluyendo TiSe2 y ZrTe2, para explorar este nuevo fenómeno. Desafortunadamente, aún se evidencia distorsión reticular en las dispersiones fonónicas calculadas, aunque podría no ser la fuerza impulsora principal en estos materiales."

Basándose en sus trabajos anteriores, los investigadores se propusieron investigar la existencia de CDW y una transición metal-aislante en películas delgadas de otro material, el HfTe2. Después de observar exitosamente ambos fenómenos, realizaron cálculos de fonones para validar sus observaciones.

Estos cálculos mostraron que el HfTe2 de una sola capa no exhibe inestabilidad estructural. Además, las mediciones de difracción de Raman y de rayos X no revelaron distorsiones reticulares significativas, proporcionando así una fuerte evidencia de origen electrónico de la transición metal-aislante en el HfTe2 de una sola capa.

"Una característica notable de la condensación de excitones es la sensibilidad a la concentración de portadores cerca de la superficie de Fermi", explicó Peng. "Un pequeño número de portadores y una concentración equilibrada de portadores de tipo n y p puede, en teoría, beneficiar la condensación de excitones. Encontramos que una pequeña cantidad de dopaje de tipo n aumentó significativamente la temperatura de transición del HfTe2 de una sola capa, lo cual es diferente de otros tipos de mecanismos de transición como CDW del tipo Peierls."

Los descubrimientos recientes realizados por Peng y sus investigadores sugieren que el HfTe2 de grosor atómico podría ser el primer aislante excitónico conocido en un sólido natural con un origen de transición puramente electrónico. Hasta ahora, los investigadores han validado sus resultados mediante varios cálculos y análisis.

"Al disminuir la dimensionalidad del material, se pueden reducir los efectos de pantalla alrededor del nivel de Fermi, lo cual beneficia la condensación de excitones", dijo Peng. "Preparamos con éxito películas delgadas de una capa y de múltiples capas de HfTe2 mediante epitaxia de haz molecular. Las mediciones espectroscópicas de fotoemisión con resolución angular revelaron una transición metal-aislante cuando el grosor era inferior a tres capas. La parte superior de la banda de valencia formó una banda plana a bajas temperaturas, abriendo una brecha cerca de la superficie de Fermi. Además, aparecieron bandas plegadas cerca del punto, una característica típica de la formación de CDW."

El nuevo aislante excitónico descubierto por este equipo de investigación podría sentar las bases para estudios adicionales que se centren en efectos cuánticos exóticos derivados de la interacción entre estados aislantes excitónicos y otros sistemas de orden (por ejemplo, la topología y estados con correlación de espín). En su trabajo futuro, Peng y sus colegas planean examinar más a fondo la fase de aislante cuántico que observaron, para comprender mejor su física subyacente.

"A diferencia de los pares de Cooper tradicionales en los superconductores, los excitones tienen una energía de unión más grande, lo que los hace propicios para la condensación a temperaturas más altas", agregó Peng. "Por lo tanto, el estudio de los aislantes excitónicos es de gran importancia para comprender fenómenos como la superconductividad a alta temperatura y la superfluido. Como la formación del excitón es muy sensible al número de portadores y la brecha de banda, los estímulos externos como la delimitación eléctrica o la tensión se pueden utilizar para controlar delicadamente la concentración de portadores o la estructura de bandas y, por lo tanto, el parámetro de orden de la coherencia electrón-agujero."

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