Pesquisadores da Universidade Nacional de Cingapura previram que um estado exótico da matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein pode existir em temperaturas relativamente altas (cerca de 50 K a 100 K) em sistemas compostos por moléculas orgânicas em materiais semicondutores bidimensionais (2D).
Um condensado de Bose-Einstein é um estado da matéria em que todas as partículas têm a mesma energia e são completamente coordenadas. Do ponto de vista físico, essas partículas se aglomeram e começam a se comportar como se fossem parte de uma única partícula maior. O Prêmio Nobel de Física de 2001 foi concedido pela realização da condensação de Bose-Einstein. Este avanço fenomenal foi alcançado pela primeira vez em uma coleção de átomos de rubídio a uma temperatura ultra baixa de 20 nK. Espera-se que esse controle do estado da matéria leve a avanços tecnológicos e também permita a realização de superfluidez.

Neste trabalho, a professora Quek Su Ying, do Departamento de Física da Universidade Nacional de Cingapura, e seu colega de pós-doutorado, Dr. Ulman Kanchan, previram que a condensação de Bose-Einstein (BEC) pode ocorrer em torno de 50 K a 100 K em Sistemas de materiais 2D (ver Figura) através de seu cálculo. Esta temperatura BEC é ordens de magnitude maior do que a alcançada anteriormente usando átomos. As partículas que se condensam nos sistemas de materiais orgânicos-2D são pares elétron-buraco (excitons) que são induzidos no sistema através de irradiação com luz. O elétron reside no semicondutor 2D (dissulfeto de molibdênio, MoS₂ ) e o buraco na molécula orgânica (ftalocianina de zinco, ZnPc), no que é chamado de "exciton de transferência de carga". A separação espacial entre o elétron e o buraco, juntamente com a natureza fortemente ligada dos excitons nesses materiais de baixa dimensão, resulta em longos tempos de vida do exciton, que são críticos para a ocorrência de BEC. Crucialmente, a temperatura BEC prevista é muito maior do que a dos átomos. Isso ocorre porque a temperatura BEC é inversamente proporcional à massa da partícula, e a massa do éxciton é muito menor do que as massas atômicas típicas.

Antes desta previsão, BEC de excitons de transferência de carga foi observado em cerca de 100 K em bicamadas de materiais 2D. No entanto, uma dificuldade prática na realização do BEC nesses sistemas foi a necessidade de alinhamento cuidadoso das duas camadas de material. Bicamadas desalinhadas hospedam excitons com grande momento, que dificultam a formação do condensado. No caso de sistemas de materiais orgânicos-2D, a estreita largura de banda dos estados moleculares implica que os excitons de transferência de carga tenham um momento muito pequeno, favorecendo a formação de BEC.

O professor Quek disse:"Moléculas orgânicas, como ftalocianinas de metais de transição, formam facilmente monocamadas ordenadas e auto-montadas em materiais 2D. Espera-se que a previsão de BEC de alta temperatura de excitons em sistemas de materiais orgânicos-2D leve a realizações mais práticas desse estado exótico da matéria e abre caminho para o estudo de aplicações intrigantes relacionadas aos condensados ​​de Bose-Einstein". + Explorar mais

Condensação espontânea de excitons de Bose-Einstein