Misturar e combinar modelos computacionais de materiais 2-D levou os cientistas da Rice University à compreensão de que excitons - quasipartículas que existem quando elétrons e buracos se ligam brevemente - podem ser manipulados de maneiras novas e úteis.

Os pesquisadores identificaram um pequeno conjunto de compostos 2-D com dimensões de rede atômica semelhantes que, quando colocados juntos, permitiria que os excitons se formassem espontaneamente. Geralmente, excitons acontecem quando a energia da luz ou eletricidade aumenta os elétrons e os buracos para um estado superior.

Mas em algumas das combinações previstas pelo teórico dos materiais de arroz Boris Yakobson e sua equipe, excitons foram observados se estabilizando no estado fundamental dos materiais. De acordo com sua determinação, esses excitons em seu estado de energia mais baixo podem se condensar em uma fase semelhante a um superfluido. A descoberta mostra uma promessa para a eletrônica, aplicações de computação spintrônica e quântica.

"A própria palavra 'exciton' significa que elétrons e buracos 'saltam' para uma energia superior, "Yakobson disse." Todos os sistemas frios ficam em seus estados de energia mais baixos possíveis, portanto, não há excitons presentes. Mas descobrimos o que parece um paradoxo, conforme concebido por Nevill Mott 60 anos atrás:um sistema material onde os excitons podem se formar e existir no estado fundamental. "

O estudo de acesso aberto de Yakobson, a estudante de graduação Sunny Gupta e o cientista pesquisador Alex Kutana, todos da Brown School of Engineering de Rice, aparece em Nature Communications .

Depois de avaliar muitos milhares de possibilidades, a equipe modelou com precisão 23 heteroestruturas de duas camadas, suas camadas frouxamente mantidas em alinhamento por forças fracas de van der Waals, e calculou como suas lacunas de banda se alinhavam quando colocadas lado a lado. (Os intervalos de banda definem a distância que um elétron tem que saltar para dar a um material suas propriedades semicondutoras. Condutores perfeitos - metais ou semimetais como o grafeno - não têm intervalo de banda.)

Em última análise, eles produziram diagramas de fase para cada combinação, mapas que permitissem ver qual tinha o melhor potencial para estudo experimental.

"As melhores combinações são distinguidas por uma correspondência de parâmetro de rede e, mais importante, pelas posições especiais das bandas eletrônicas que formam uma lacuna quebrada, também chamado de tipo III, "Yakobson disse.

Convenientemente, as combinações mais robustas podem ser ajustadas pela aplicação de tensão por meio de tensão, curvatura ou um campo elétrico externo, os pesquisadores escreveram. Isso poderia permitir que o estado de fase dos excitons fosse ajustado para assumir as propriedades de "fluido perfeito" de um condensado de Bose-Einstein ou de um condensado de BCS supercondutor.

"Em um condensado quântico, partículas bosônicas em baixas temperaturas ocupam um estado fundamental quântico coletivo, "Gupta disse." Isso apóia fenômenos quânticos macroscópicos tão notáveis ​​quanto superfluidez e supercondutividade. "

"Os estados condensados ​​são intrigantes porque possuem propriedades quânticas bizarras e existem em uma escala cotidiana, acessível sem microscópio, e apenas baixa temperatura é necessária, "Kutana acrescentou." Porque eles estão no estado de energia mais baixo possível e por causa de sua natureza quântica, os condensados ​​não perdem energia e se comportam como um fluido sem atrito perfeito.

"Os pesquisadores têm procurado realizá-los em vários sistemas sólidos e de gás, "disse ele." Esses sistemas são muito raros, portanto, ter materiais bidimensionais entre eles expandiria muito nossa janela para o mundo quântico e criaria oportunidades para uso em novos, dispositivos incríveis. "

As melhores combinações foram montagens de bicamadas heteroestruturais de antimônio-telúrio-selênio com bismuto-telúrio-cloro; háfnio-nitrogênio-iodo com zircônio-nitrogênio-cloro; e lítio-alumínio-telúrio com bismuto-telúrio-iodo.

"Exceto por ter parâmetros de rede semelhantes dentro de cada par, as composições químicas parecem bastante não intuitivas, "Yakobson disse." Não vimos nenhuma maneira de antecipar o comportamento desejado sem a análise quantitativa meticulosa.

"Nunca se pode negar a chance de encontrar a sorte - como disse Robert Curl, química significa ter sorte - mas peneirar centenas de milhares de combinações de materiais não é realista em qualquer laboratório. Teoricamente, Contudo, pode ser feito."