Preuve que le tellurure de hafnium atomiquement mince est un isolant excitonique.

9 février 2024 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli , Phys.org

La condensation des excitons avec un moment non nul peut donner lieu à ce qu'on appelle des ondes de densité de charge (CDW). Ce phénomène peut favoriser 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 matériau semi-métallique HfTe2 atomiquement mince. Leurs observations, exposées dans Nature Physics, ont révélé des transitions possibles entre CDW excitoniques et métal-isolant dans ce matériau atomiquement mince.

"La formation de CDW dans les matériaux présente divers mécanismes (par exemple, l'accrochage de surface de Fermi, les 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", a déclaré Peng Chen, auteur correspondant de l'article, à Phys.org.

"Notre équipe de recherche a précédemment mené une série d'études sur les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels, y compris TiSe2 et ZrTe2, pour explorer ce nouveau phénomène. Malheureusement, la distorsion du réseau est encore prouvée dans les dispersions des phonons calculés, bien qu'elle ne soit peut-être pas la force motrice principale dans ces matériaux."

S'appuyant sur leurs travaux précédents, les chercheurs se sont donc lancés dans l'étude de 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 de diffraction des rayons X n'ont révélé aucune distorsion notable du réseau, constituant 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", explique Peng. "Un petit nombre de porteurs et une concentration équilibrée de porteurs de type n et de type p peuvent en principe favoriser la condensation des excitons. Nous avons constaté qu'une petite quantité de dopage de type n augmentait considérablement la température de transition du HfTe2 monocouche, ce qui est différent d'autres types de mécanismes de transition tels que la CDW de type Peierls."

Les récentes découvertes faites par Peng et ses chercheurs suggèrent que le HfTe2 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 par divers calculs et analyses.

"En réduisant la dimensionnalité du matériau, les effets de criblage autour du niveau de Fermi peuvent être réduits, ce qui favorise la condensation des excitons", déclare Peng. "Nous avons préparé avec succès des films minces monocouches et multicouches de HfTe2 par épitaxie par jets moléculaires. Les mesures spectroscopiques de photoémission avec résolution angulaire ont révélé une transition métal-isolant lorsque l'épaisseur était inférieure à trois couches. La bande de valence supérieure a formé une bande plate à basse température, ouvrant un écart près de la surface de Fermi. De plus, des bandes repliées sont apparues près du point, une caractéristique typique de la formation de CDW."

Le nouvel isolant excitonique découvert par cette équipe de recherche pourrait poser les bases d'études supplémentaires axées sur des effets quantiques exotiques découlant de l'interaction entre les états isolants excitoniques et d'autres ordres (par exemple, la topologie et les états corrélés en spin). Dans leurs travaux futurs, Peng et ses collègues prévoient d'examiner plus en détail la phase isolante 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 élevée, ce qui les rend propices à la condensation à des températures plus élevées", ajoute Peng. "Par conséquent, l'étude des isolants excitoniques est d'une grande importance pour comprendre des phénomènes tels que la supraconductivité à haute température et la superfluidité. Comme la formation de l'exciton est très sensible au nombre de porteurs et à la bande interdite, des stimuli externes tels que l'application d'une tension électrique ou une contrainte peuvent être utilisés pour contrôler délicatement la concentration des porteurs ou la structure de bande et donc le paramètre d'ordre de la cohérence électron-trou."

Informations sur la revue : Nature Physics

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