A descoberta de uma nova quasipartícula é análoga à descoberta de uma nova molécula, exceto que as moléculas contêm diferentes elementos, enquanto as quasipartículas são feitas de partículas e interações fundamentais. Como cada molécula tem suas próprias propriedades únicas, o mesmo acontece com as quasipartículas, e a descoberta de um novo traz uma gama de possíveis aplicações tecnológicas.

Uma nova quase-partícula chamada "trion polarônico, "descoberto em dissulfeto de molibdênio (MoS ₂ ) por uma equipe da National University of Singapore (NUS), poderia ser usado para projetar um modulador óptico para luz visível que é controlado por campos elétricos e de temperatura.

O esforço de pesquisa para esta descoberta foi liderado pelo Professor T Venky Venkatesan, Diretor do NUS Nanocience and Nanotechnology Institute (NUSNNI), e foi publicado em Materiais avançados em 26 de agosto de 2019.

A formação da nova quasipartícula

Uma quasipartícula é essencialmente um composto formado devido à interação de partículas elementares. Por exemplo, a interação coulomb entre partículas com carga oposta, tanto elétrons quanto buracos, em um semicondutor dá origem a uma quase-partícula, conhecido como exciton. "Recentemente, foi relatado que em semicondutores ricos em elétrons, um elétron extra pode se ligar a um exciton para formar uma nova quase-partícula chamada 'trion, '"compartilhou o professor Venkatesan.

Nesse caso, os pesquisadores descobriram que quando uma camada atomicamente fina de MoS ₂ é cultivado em um único cristal de titanato de estrôncio (SrTiO ₃ ), o trion carregado em MoS ₂ pode interagir ainda mais com as vibrações atômicas do SrTiO ₃ rede para formar uma nova quase-partícula. A natureza desta interação é semelhante àquela entre elétrons e vibrações de rede (ou fônons) em sólidos, dando origem a outra quase-partícula conhecida como 'polaron'. Portanto, eles apelidaram a nova quasipartícula de 'trion polarônico'.

"O trion polarônico pode ser visualizado como uma boneca de chá russa, ou Matryoshka. Dentro do trion polarônico está um trion nu, dentro do qual há um exciton que é feito de elétrons e buracos, "explicou o professor associado Shaffique Adam, um dos principais autores do trabalho, que é do Departamento de Física da NUS, Yale-NUS College e o Center for Advanced 2-D Materials (CA2DM).

O significado do trion polarônico

p "Trions e excitons em materiais 2-D como MoS ₂ são interessantes porque podem absorver e emitir luz, "disse o Dr. Soumya Sarkar, o primeiro autor da publicação é da NUSNNI e da NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering. Ele descobriu esse fenômeno durante sua pesquisa de doutorado com o Prof Venkatesan.

Ele adicionou, "Usualmente, fônons têm energias muito grandes para se acoplarem a um trion. É aqui que o SrTiO ₃ o cristal é especial porque sofre uma transição de fase estrutural a temperaturas abaixo de -120 ° C e dá origem a uma vibração atômica particular, o modo suave. "

Este modo suave tem uma energia que é da mesma ordem que a do trion nu, e permite um forte acoplamento entre o trion de MoS ₂ e SrTiO ₃ fônons para formar a nova entidade, o 'trion polarônico. "Embora as vibrações normais da rede diminuam à medida que o cristal congela em baixas temperaturas, a vibração do modo suave, por outro lado, é altamente aprimorado, consistente com as observações.

Outra propriedade importante desta quasipartícula é sua sensibilidade a campos elétricos. Dr. Sreetosh Goswami de NUSNNI, que é um dos principais autores deste artigo, elaborado, "O que estamos observando aqui é uma interação de muitos corpos e sintonizando essa interação com um campo elétrico externo. Este é o Santo Graal na física da matéria condensada, e esses exemplos são bastante raros. "

Ele continuou, "Para mim, a parte mais empolgante de todo este estudo é a sintonia do campo elétrico de trions polarônicos por meio da manipulação dos fônons suaves em SrTiO ₃ . A capacidade de sintonizar sua energia de ligação em quase 40 meV usando uma polarização de voltagem é muito mais do que qualquer outra que foi relatada anteriormente, e requer apenas uma quantidade escassa de energia externa. "

Teoricamente, o acoplamento é incomum, pois esta é a primeira observação de um forte acoplamento interfacial de fônons envolvendo fônons rotacionais. "Estendemos um resultado antigo de Feynman e Fröhlich para explicar essa interação. Na verdade, Os materiais 2-D interagem fortemente com seu ambiente e isso foi crucial para este acoplamento, "acrescentou o Dr. Maxim Trushin, um físico teórico do CA2DM que realizou todos os cálculos incluídos no artigo e propôs a imagem de quase-partícula para explicar o fenômeno observado.

Próximos passos

Dr. Sinu Mathew, que iniciou o esforço de materiais 2-D no NUSNNI sob o Prof Venkatesan e é um jogador-chave nesta pesquisa, forneceu um quadro mais amplo para essa descoberta. Ele disse, "Noventa por cento da pesquisa em materiais 2-D usa SiO2 ou nitreto de boro hexagonal como substratos. Isso pode ser ótimo para explorar as propriedades quânticas de materiais 2-D, mas se você quiser explorar as interações da interface, substratos de óxido podem ser muito mais interessantes, pois têm funcionalidades quânticas ricas. Neste artigo, relatamos a interação entre MoS ₂ e SrTiO ₃ , mas há muito mais espaço para explorar. "

Recentemente, tem havido muito entusiasmo em relação às interconexões baseadas em excitons. "O trion polarônico está carregado e, portanto, seria mais fácil de guiar com tensões aplicadas, tornando-se assim um jogador chave nesta área, "concluiu o professor Venkatesan." Na verdade, já começamos a observar trions polarônicos em outros semicondutores 2-D e estamos trabalhando para demonstrar um dispositivo funcional baseado nesta nova quasipartícula.