激子绝缘体,研究证明了上世纪60年代的预测

原标题:激子绝缘体,研究证明了上世纪60年代的预测

伍伦贡大学和莫纳什大学的一项合作研究发现了证据,证明上世纪60年代预测的物质新阶段——激子绝缘体,在锑锑(110)纳米薄片中观察到激子绝缘相的独特特征。这一发现为寻找可能携带激子超流体的激子绝缘体提供了一种新策略,进一步研究将需要充分理解这一物质新阶段的丰富物理学。发现物质新相是凝聚态物理学的主要目标之一。

对开发低能量电子新技术具有重要意义,而低能量电子技术是ARC中心的主要目标。上世纪60年代提出,在小的间接带隙材料中,由于载流子密度过低,无法屏蔽电子与空穴之间具有吸引力的库仑相互作用,因此可以自发形成激子。其结果是一种新型的强相互作用绝缘相,称为激子绝缘体。在绝缘子族中,第一个成员是带隙绝缘子。除了带隙绝缘体外,电子-电子相互作用或量子干涉引起的无序也可能产生其他绝缘状态。

例如:安德森绝缘体,其中电子被量子干涉定域,拓扑绝缘体,由于带反转,在体中有间隙,但在表面/边缘处无导电性态。激子绝缘子是绝缘子与金属临界过渡点的一种新物质相,是凝聚态物理学先驱们在20世纪60年代提出。在激子绝缘体中,决定物理性质的是玻色子粒子而不是电子。激子绝缘子已被预测具有许多新的性质,包括结晶态激子态、超流态和激子高温超导性。发现这类新型绝缘子的突破,引起了凝聚态物理学家和二维材料科学家的极大关注。

研究团队使用扫描隧道显微镜(STM)和光谱(STS)来表明:在量子限制的单质锑纳米薄片中,库仑相互作用的增强将系统驱动到激子绝缘体状态。直接观察到激子绝缘子的独特特性,即电荷密度波(CDW)无周期性晶格畸变,此外,STS显示了费米表面附近CDW引起的间隙。这些结果表明锑(Sb(110))纳米薄片是一种激子绝缘体。量子限制的Sb纳米薄片中可能存在激子绝缘相,其研究发表在《纳米快报》上。

激子是玻色子和空穴的强束缚对,是通过吸引电子-空穴库仑相互作用而形成。其结合能(Eb)的值降低了系统能量。如果这样的激子可以自发形成,那么结果将是一个激子绝缘子相。在半导体或绝缘体中,激子的形成需要克服带隙能量(如产生电子空穴对所需的能量)。激子的自发形成需要Eb >。然而,在半导体和绝缘体中,Eg通常比Eb大得多,可以阻止自发激子的形成。

在这项研究中,研究人员利用非常薄的材料中强库仑相互作用来促进锑中的激子绝缘子相。迄今为止,许多显示CDW的材料被认为是激子绝缘体候选材料。不幸的是,这些候选激子绝缘子表现出强烈的周期晶格畸变(PLD),这表明CDW是由电子-声子耦合驱动,而不是由激子绝缘子状态驱动。这项新研究通过在没有PLD的情况下对CDW的观测,为锑纳米薄片中激发态绝缘子相的形成提供了可靠证据。返回搜狐,查看更多

博科园|研究/来自:FLEET
参考期刊《纳米快报》
DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01123
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