A condensação de excitons com momento diferente de zero pode dar origem às chamadas ondas de densidade de carga (CDW). Este fenômeno pode provocar a transição de materiais para uma nova e fascinante fase quântica, conhecida como isolante excitônico.



Pesquisadores da Universidade Jiao Tong de Xangai e de outros institutos realizaram recentemente um estudo explorando a possibilidade de que essa transição metal-isolante pudesse ocorrer no HfTe semimetálico atomicamente fino. . Suas observações, descritas em Nature Physics , revelou possíveis transições excitônicas de CDW e metal-isolante no material atomicamente fino.

"A formação de CDW em materiais tem vários mecanismos (por exemplo, aninhamento de superfície de Fermi, distorções de rede, etc.) e a exclusão de outros mecanismos de formação de CDW é a chave para identificar a existência de um isolante excitônico", Peng Chen, autor correspondente do o artigo, disse Phys.org.

"Nossa equipe de pesquisa conduziu anteriormente uma série de estudos sobre dichalcogenetos bidimensionais de metais de transição, incluindo TiSe₂ e ZrTe₂ para explorar este novo fenômeno. Infelizmente, a distorção da rede ainda é evidenciada nas dispersões calculadas de fônons, embora possa não ser a principal força motriz nestes materiais."

Com base nos seus trabalhos anteriores, os investigadores decidiram investigar a existência de CDW e uma transição metal-isolante em filmes finos de outro material, nomeadamente HfTe₂ . Depois de observar com sucesso ambos os fenômenos, eles realizaram cálculos de fônons para validar suas observações.

Esses cálculos mostraram que HfTe₂ de camada única não apresenta instabilidade estrutural. Além disso, as medições de Raman e de difração de raios X não revelaram quaisquer distorções significativas na rede, fornecendo assim fortes evidências para a origem eletrônica da transição metal-isolante em HfTe de camada única₂ .

“Uma característica notável da condensação de excitons é a sensibilidade à concentração de portadores perto da superfície de Fermi”, explicou Peng. "Um pequeno número de portadores e uma concentração equilibrada de portadores do tipo n e do tipo p podem, em princípio, beneficiar a condensação do exciton. Descobrimos que uma pequena quantidade de dopagem do tipo n aumentou significativamente a temperatura de transição do HfTe₂ , o que é diferente de outros tipos de mecanismo de transição, como o CDW do tipo Peierls."

As descobertas recentes reunidas por Peng e seus pesquisadores sugerem que o HfTe₂ atomicamente fino poderia ser o primeiro isolante excitônico conhecido em um sólido natural com origem de transição puramente eletrônica. Até agora, os pesquisadores validaram seus resultados por meio de vários cálculos e análises.

"Ao diminuir a dimensionalidade do material, os efeitos de triagem em torno do nível de Fermi podem ser reduzidos, o que beneficia a condensação do exciton", disse Peng. "Preparamos com sucesso HfTe₂ de camada única e multicamada filmes finos por epitaxia por feixe molecular. Medições de espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo revelaram uma transição metal-isolante quando a espessura era inferior a três camadas. O topo da banda de valência formou uma banda plana em baixas temperaturas, abrindo uma lacuna perto da superfície de Fermi. Além disso, faixas dobradas apareceram perto da ponta, uma característica típica da formação de CDW."

O novo isolante excitônico descoberto por esta equipe de pesquisa poderia lançar as bases para estudos adicionais com foco em efeitos quânticos exóticos derivados da interação entre estados isolantes excitônicos e outras ordenações (por exemplo, topologia e estados correlacionados de spin). Em seu trabalho futuro, Peng e seus colegas planejam examinar mais detalhadamente a fase do isolante quântico que observaram, para compreender melhor sua física subjacente.

"Ao contrário dos pares tradicionais de Cooper em supercondutores, os excitons têm uma energia de ligação maior, tornando-os propícios à condensação em temperaturas mais altas", acrescentou Peng. "Portanto, o estudo de isoladores excitônicos é de grande importância para a compreensão de fenômenos como supercondutividade e superfluidez em alta temperatura. Como a formação de exciton é muito sensível ao número de portadores e ao band gap, estímulos externos como ativação elétrica ou deformação podem ser usado para controlar delicadamente a concentração de portadores ou estrutura de banda e, portanto, o parâmetro de ordem da coerência elétron-buraco."

Mais informações: Qiang Gao et al, Observação de possíveis ondas de densidade de carga excitônica e transições metal-isolante em semimetais atomicamente finos, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02349-0
Informações do diário: Física da Natureza

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