Evidenza che l'hafnium telluride atomicamente sottile sia un isolante eccitonico.

9 febbraio 2024

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

La condensazione degli eccitoni con momento non nullo può dare origine alle cosiddette onde di densità di carica (CDW). Questo fenomeno può provocare la transizione dei materiali in una nuova fase quantistica affascinante, nota come isolante eccitonico.

Ricercatori della Shanghai Jiao Tong University e di altri istituti hanno recentemente condotto uno studio per esplorare la possibilità che questa transizione metallo-isolante possa verificarsi nell'HfTe2 semimetallico atomicamente sottile. Le loro osservazioni, descritte in Nature Physics, hanno rivelato possibili transizioni CDW eccitoniche e metallo-isolante nel materiale atomicamente sottile.

"La formazione di CDW nei materiali ha vari meccanismi (ad esempio, accoppiamento del reticolo della superficie di Fermi, distorsioni del reticolo, ecc.) ed è fondamentale escludere altri meccanismi di formazione dei CDW per identificare l'esistenza di un isolante eccitonico", ha detto Peng Chen, autore corrispondente dell'articolo, a Phys.org.

"Il nostro team di ricerca ha già condotto una serie di studi su dicalcogenuri di metalli di transizione bidimensionali, incluso il TiSe2 e il ZrTe2, per esplorare questo nuovo fenomeno. Sfortunatamente, sono ancora evidenziate distorsioni del reticolo nelle dispersioni dei fononi calcolate, anche se potrebbero non essere la forza trainante principale in questi materiali."

Basandosi sui loro lavori precedenti, i ricercatori hanno deciso di indagare l'esistenza di un CDW e una transizione metallo-isolante in sottili strati di un altro materiale, ovvero l'HfTe2. Dopo aver osservato entrambi questi fenomeni con successo, hanno effettuato calcoli dei fononi per convalidare le loro osservazioni.

Questi calcoli hanno mostrato che l'HfTe2 a un solo strato non mostra instabilità strutturale. Inoltre, le misure di diffrazione Raman e a raggi X non hanno rivelato distorsioni significative del reticolo, fornendo così una forte evidenza dell'origine elettronica della transizione metallo-isolante nell'HfTe2 a singolo strato.

"Una caratteristica notevole della condensazione degli eccitoni è la sensibilità alla concentrazione di portatori vicino alla superficie di Fermi", ha spiegato Peng. "Un piccolo numero di portatori e una concentrazione equilibrata di portatori di tipo n e p possono in principio favorire la condensazione degli eccitoni. Abbiamo scoperto che una piccola quantità di doping di tipo n aumenta significativamente la temperatura di transizione dell'HfTe2 a singolo strato, il che è diverso da altri tipi di meccanismo di transizione come il CDW di tipo Peierls."

I recenti risultati ottenuti da Peng e i suoi ricercatori suggeriscono che l'HfTe2 atomicamente sottile potrebbe essere il primo esempio conosciuto di isolante eccitonico in un solido naturale con un'origine di transizione puramente elettronica. I ricercatori finora hanno convalidato i loro risultati attraverso vari calcoli e analisi.

"Riducendo la dimensionalità del materiale, gli effetti di schermatura intorno al livello di Fermi possono essere ridotti, il che beneficia la condensazione degli eccitoni", ha detto Peng. "Abbiamo preparato con successo film sottili di HfTe2 a uno o più strati tramite epitassia a fascio molecolare. Le misurazioni di spettroscopia fotoemissiva con risoluzione angolare hanno rivelato una transizione metallo-isolante quando lo spessore era inferiore a tre strati. La banda di valenza superiore ha formato una banda piatta a basse temperature, aprendo un gap vicino alla superficie di Fermi. Inoltre, sono comparse bande piegate vicino al punto, una caratteristica tipica della formazione di CDW."

Il nuovo isolante eccitonico scoperto da questo team di ricerca potrebbe gettare le basi per ulteriori studi incentrati su effetti quantistici esotici derivanti dall'interazione tra stati di isolamento eccitonico e altri ordinamenti (ad esempio, topologia e stati correlati allo spin). Nel loro futuro lavoro, Peng e i suoi colleghi intendono esaminare ulteriormente la fase di isolante quantistico che hanno osservato, per comprendere meglio la sua fisica sottostante.

"A differenza delle tradizionali coppie di Cooper nei superconduttori, gli eccitoni hanno un'energia di legame maggiore, che li rende più propensi alla condensazione a temperature più elevate", ha aggiunto Peng. "Pertanto, lo studio degli isolanti eccitonici è di grande importanza per comprendere fenomeni come la superconduttività ad alta temperatura e la superfluidità. Poiché la formazione dell'eccitone è molto sensibile al numero di portatori e al gap di banda, stimoli esterni come il controllo elettrico o la deformazione possono essere utilizzati per controllare delicatamente la concentrazione di portatori o la struttura di banda e quindi il parametro di ordine della coerenza elettrone-buca."

Informazioni sulla rivista: Nature Physics

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