p Uma colaboração da University of Wollongong / Monash University encontrou evidências de uma nova fase da matéria prevista na década de 1960:o isolador excitônico. p As assinaturas únicas de uma fase isolante excitônica foram observadas em nanoflocos de antimônio Sb (110).

p As descobertas fornecem uma nova estratégia para a busca de mais isolantes excitônicos que são potencialmente capazes de transportar superfluidos de excitons, e mais estudos serão necessários para compreender completamente a rica física desta nova fase da matéria.

p Fundo

p “A descoberta de novas fases da matéria é um dos grandes objetivos da física da matéria condensada e é importante para o desenvolvimento de novas tecnologias para a electrónica de baixa energia que é o principal objetivo do centro ARC da FLEET, "diz o professor Xiaolin Wang (UOW).

p "Na década de 1960, foi proposto que, em materiais de pequenos band-gap indiretos, excitons podem se formar espontaneamente porque a densidade de portadores é muito baixa para filtrar a atraente interação de Coulomb entre elétrons e lacunas ", disse o Dr. Zhi Li, o primeiro autor e atualmente FLEET AI e um colega ARC DECRA co-mentor pelo Prof Wang e Prof Fuhrer.

p O resultado é uma nova fase isolante de forte interação conhecida como isolante excitônico.

p Na família do isolador, o primeiro membro é o bandgap, 'ou isolador' trivial '.

p Além de isoladores bandgap, outros estados de isolamento podem surgir através dos efeitos de interações elétron-elétron ou desordem associada à interferência quântica, por exemplo:

• Isoladores Anderson, em que os elétrons são localizados por interferência quântica
• Isoladores topológicos, que têm uma lacuna no volume, mas estados de condução sem intervalos na superfície / borda devido à inversão de banda.

p O isolante excitônico, uma nova fase da matéria no ponto crítico de transição entre o isolante e o metal foi proposta na década de 1960 por muitos pioneiros na física da matéria condensada.

p Em um isolador excitônico, partículas bosônicas, em vez de elétrons, determinam as propriedades físicas.

p Foi previsto que isoladores excitônicos hospedem muitas propriedades novas, incluindo excitônio cristalizado, superfluidez e supercondutividade excitônica de alta temperatura, e avanços na descoberta dessa nova classe de isolantes atraíram grande atenção entre os físicos da matéria condensada e os cientistas de materiais bidimensionais.

p O estudo

p A equipe de pesquisa empregou microscopia de tunelamento de varredura (STM) e espectroscopia (STS) para mostrar que a interação de Coulomb aprimorada em nanoflocos de antimônio elementais confinados por quantum leva o sistema ao estado de isolador excitônico.

p A característica única do isolador excitônico, uma onda de densidade de carga (CDW) sem distorção de rede periódica, foi observada diretamente. Além disso, STS mostra uma lacuna induzida pelo CDW perto da superfície de Fermi.

p Essas observações sugerem que o nanofloco de antimônio (Sb (110)) é um isolante excitônico.

p "Possível fase de isolamento excitônico em nanoflagos de Sb confinados por quantum" foi publicado em Nano Letras em julho de 2019.

p A teoria

p Excitons, que são bosônicos, pares fortemente ligados de elétrons e lacunas, são formados através da atraente interação elétron-buraco de Coulomb, diminuindo a energia do sistema pelo valor da energia de ligação (Eb).

p Se tais excitons pudessem se formar espontaneamente, então o resultado seria uma fase isolante excitônica.

p Em semicondutores ou isoladores, a formação de um exciton requer a superação da energia do gap, por exemplo, necessária para criar um par elétron-buraco. A formação espontânea de excitons exige que Eb> Por exemplo. Contudo, Por exemplo, é geralmente muito maior do que Eb em semicondutores e isoladores, prevenir a formação espontânea de excitons.

p Nesse trabalho, os pesquisadores aproveitaram a forte interação de Coulomb em materiais muito finos para promover a fase isolante excitônica no antimônio.

p Trabalho prévio

p Até agora, muitos materiais que apresentam CDW foram identificados como candidatos a isolantes excitônicos.

p Infelizmente, esses candidatos a isoladores excitônicos mostram forte distorção de rede periódica (PLD), indicando que o CDW foi impulsionado pelo acoplamento elétron-fônon, e não por estados isolantes excitônicos.

p O novo estudo fornece evidências sólidas da fase isolante excitônica em nanoflocos de antimônio pela observação de CDW sem PLD.