激子絕緣體,研究證明了上世紀60年代的預測

2020-11-28 騰訊網

伍倫貢大學和莫納什大學的一項合作研究發現了證據，證明上世紀60年代預測的物質新階段——激子絕緣體，在銻銻(110)納米薄片中觀察到激子絕緣相的獨特特徵。這一發現為尋找可能攜帶激子超流體的激子絕緣體提供了一種新策略，進一步研究將需要充分理解這一物質新階段的豐富物理學。發現物質新相是凝聚態物理學的主要目標之一。

對開發低能量電子新技術具有重要意義，而低能量電子技術是ARC中心的主要目標。上世紀60年代提出，在小的間接帶隙材料中，由於載流子密度過低，無法屏蔽電子與空穴之間具有吸引力的庫侖相互作用，因此可以自發形成激子。其結果是一種新型的強相互作用絕緣相，稱為激子絕緣體。在絕緣子族中，第一個成員是帶隙絕緣子。除了帶隙絕緣體外，電子-電子相互作用或量子幹涉引起的無序也可能產生其他絕緣狀態。

例如：安德森絕緣體，其中電子被量子幹涉定域，拓撲絕緣體，由於帶反轉，在體中有間隙，但在表面/邊緣處無導電性態。激子絕緣子是絕緣子與金屬臨界過渡點的一種新物質相，是凝聚態物理學先驅們在20世紀60年代提出。在激子絕緣體中，決定物理性質的是玻色子粒子而不是電子。激子絕緣子已被預測具有許多新的性質，包括結晶態激子態、超流態和激子高溫超導性。發現這類新型絕緣子的突破，引起了凝聚態物理學家和二維材料科學家的極大關注。

研究團隊使用掃描隧道顯微鏡(STM)和光譜(STS)來表明：在量子限制的單質銻納米薄片中，庫侖相互作用的增強將系統驅動到激子絕緣體狀態。直接觀察到激子絕緣子的獨特特性，即電荷密度波(CDW)無周期性晶格畸變，此外，STS顯示了費米表面附近CDW引起的間隙。這些結果表明銻(Sb(110))納米薄片是一種激子絕緣體。量子限制的Sb納米薄片中可能存在激子絕緣相，其研究發表在《納米快報》上。

激子是玻色子和空穴的強束縛對，是通過吸引電子-空穴庫侖相互作用而形成。其結合能(Eb)的值降低了系統能量。如果這樣的激子可以自發形成，那麼結果將是一個激子絕緣子相。在半導體或絕緣體中，激子的形成需要克服帶隙能量(如產生電子空穴對所需的能量)。激子的自發形成需要Eb >。然而，在半導體和絕緣體中，Eg通常比Eb大得多，可以阻止自發激子的形成。

在這項研究中，研究人員利用非常薄的材料中強庫侖相互作用來促進銻中的激子絕緣子相。迄今為止，許多顯示CDW的材料被認為是激子絕緣體候選材料。不幸的是，這些候選激子絕緣子表現出強烈的周期晶格畸變(PLD)，這表明CDW是由電子-聲子耦合驅動，而不是由激子絕緣子狀態驅動。這項新研究通過在沒有PLD的情況下對CDW的觀測，為銻納米薄片中激發態絕緣子相的形成提供了可靠證據。

博科園｜研究/來自：FLEET

參考期刊《納米快報》

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01123

博科園｜科學、科技、科研、科普

相關焦點

  • 激子絕緣體，研究證明了上世紀60年代的預測
    伍倫貢大學和莫納什大學的一項合作研究發現了證據，證明上世紀60年代預測的物質新階段——激子絕緣體，在銻銻(110)納米薄片中觀察到激子絕緣相的獨特特徵。這一發現為尋找可能攜帶激子超流體的激子絕緣體提供了一種新策略，進一步研究將需要充分理解這一物質新階段的豐富物理學。發現物質新相是凝聚態物理學的主要目標之一。
  • 拓撲激子絕緣體相研究獲進展
    上世紀60年代，諾貝爾獎獲得者Mott提出激子絕緣相，Mott提出考慮庫侖屏蔽效應，在半金屬體系中電子-空穴配對而形成激子，可能會導致體系失穩
  • 在磁性範德華材料中發現的量子激子
    儘管奇異的理論預測非常豐富，而且歷史悠久（最早報導於20世紀30年代），但關於激子的許多物理學知識大多是關於其最初的概念，即一個電子和一個空穴的 "簡單 "結合，很少從20世紀30年代的發現中更新。在最新一期的《Nature》雜誌上，由首爾國立大學物理與天文學系的Park Je-Geun教授（曾任韓國基礎科學研究所（IBS）內相關電子系統中心副主任）領導的研究小組在磁性範德華材料NiPS3中發現了一種新型的激子。"要承載這樣一種新型的激子物理狀態，它需要一個直接的帶隙，最重要的是具有強量子相關性的磁序。
  • 拓撲絕緣體實驗研究取得新進展
    ，在拓撲絕緣體的實驗研究方面取得一系列突破性進展。原位角分辨光電子能譜測量顯示，這些薄膜具有本徵的絕緣體特徵。三維拓撲絕緣體的量子薄膜的實現為理論預言的量子反常霍爾效應、巨大熱電效應、激子凝聚等新奇量子現象的研究提供了基礎，是在拓撲絕緣體材料製備方面的一個重要進展。
  • 《自然》雜誌:範德華磁性材料中發現的量子激子
    儘管有豐富的理論預測和悠久的歷史（最早在1930年代報導），但有關激子的許多物理學主要是關於電子和空穴「簡單」結合的最初概念，很少從1930年代電子學的發現中得到更新。 在今天最新一期的《自然》雜誌上，由首爾國立大學物理與天文學系的Je-Geun Park教授領導的研究小組，在磁性範德華材料NiPS3中發現了一種新型激子。
  • 什麼是激子(Exciton),以及激子BEC的基本筆記
    激只出現在半導體或絕緣體材料中，激的性質可以在維材料中實現，如墨烯等。 當兩種維材料結合起來時，如WSe2和MoS2相結合，「激」代替電，可實現室溫下的新型電晶體：激電晶體。研究「激」的意義電子器件的性能來到了物理極限。利用電荷來傳輸與處理數據，帶來的是發熱和性能降低。電子除了電荷，還有自旋。利用自旋的性質可改善這一情況。
  • 「拓撲絕緣體研究取得重要進展」入選2010年度中國科學十大進展
    清華大學薛其坤、陳曦研究組和中科院物理研究所馬旭村研究組，方忠、戴希研究組，孫慶豐和謝心澄，在拓撲絕緣體領域實驗和理論兩個方面取得的系列研究成果在國際學術界引起廣泛影響，該成果以總選票排名第一入選「2010年度中國科學十大進展」。拓撲絕緣體是一種新的量子物質態，這種物質態的體電子態是有能隙的絕緣體，而其表面則是無能隙的金屬態。
  • 中國科大在二維材料激子效應研究中取得新進展
    隨著體系的維度降低，庫侖屏蔽作用也會減弱，從而導致更強的激子效應。近期的研究發現，很多一維和二維材料的激子結合能都比相應的體材料大得多，相應的激子效應也更加顯著，從而可為設計新的能量轉換器件提供新機遇。　　在以往的研究裡，每發現一種新的有重要影響的低維材料體系，人們總習慣採用最先進的計算和實驗方法確定其激子結合能。
  • 太空物體2020 SO是上世紀60年代的火箭助推器
    周三，美國宇航局（NASA）宣布，這個奇怪的物體已經被確定為上世紀60年代的助推器。
  • 新拓撲絕緣體有可預測的最大能隙
    原標題：新拓撲絕緣體有可預測的最大能隙 美國猶他大學的研究人員創建出一種新的拓撲絕緣體，其可作為矽半導體頂部金屬層的特殊材料，將使超高速計算機在室溫下執行快速運算成為可能。該項研究成果刊登在近日美國《國家科學院學報》上。
  • 一種新的量子材料--拓撲絕緣體
    2006年，美國史丹福大學的科學家提出，在碲化汞量子阱體系中可能存在無需磁場而由本徵材料能帶結構產生的拓撲絕緣態，而這種特殊的拓撲絕緣體態將引起非常有趣的「量子自旋霍爾效應」，該效應入選科學評出的2007年十大科學突破並列第二位。
  • 研究揭示準二維鈣鈦礦的激子行為
    由於準二維鈣鈦礦存在天然形成的量子阱結構，與傳統的三維鈣鈦礦相比具有更大的激子結合能，從而更有利於發光。儘管一些準二維鈣鈦礦發光二極體已達到較高電光轉換效率，但當採用不同有機組分時，一些綠光器件的效率很低的原因仍然未知。在該研究工作中，研究者通過國際合作獲得的大量相關實驗數據對該問題做出了回答。
  • 二氧化釩金屬-絕緣體相變機理同步輻射研究取得重大進展
    二氧化釩金屬-絕緣體相變機理同步輻射研究取得重大進展 智能節能機敏材料二氧化釩(VO2)具有對外界紅外線進行感知和調控的特性
  • 【研究亮點】半導體激子效應研究取得新進展
    近日，iChEM副首席科學家、中國科學技術大學謝毅教授團隊在半導體光催化劑激子效應的研究中取得了新進展。研究人員報導了結構限域效應在設計激子材料中的重要作用，並通過晶面工程實現了材料的激子過程調控及其光催化性能優化。
  • 神奇的「激子」：新一代電子器件將更節能！
    導讀近日，瑞士洛桑聯邦理工學院納米電子與結構實驗室的科學家們發現了一種控制激子某些特性以及改變它們產生光線的偏振特性的方法。這項研究將通向能耗更低、發熱更少的新一代電子器件，同時也將成為新興的「谷電子學」科研領域的一部分。
  • 神奇的「激子」:新一代電子器件將更節能!
    這項研究將通向能耗更低、發熱更少的新一代電子器件，同時也將成為新興的「谷電子學」科研領域的一部分。，這一次他們是通過操控激子的「谷」，這種「谷」與電子和空穴的能量極值相關。這項研究的論文已在《自然光子學（Nature Photonics）》期刊上發表。
  • 量子物理學:激子——極化子物理中的問題用新方法解決了?
    量子物理學：激子——極化子物理中的問題用新方法解決了？澳大利亞國立大學的研究人員最近證明了一種產生軌道角動量狀態（渦流）的新方法，其拓撲電荷由特殊點確保。澳大利亞國立大學最近的研究解決了激子極化子物理學中一個突出的問題，並開啟了該領域令人興奮的未來研究方向。
  • NASA證實神秘太空物體2020 SO是上世紀60年代的火箭助推器
    周三，美國宇航局（NASA）宣布，這個奇怪的物體已經被確定為上世紀60年代的助推器。雖然助推器在1966年完成了令人欽佩的工作，但著陸器並沒有在月球表面的墜落中倖存下來。 助推器繞著太陽的特定軌道讓天文學家覺得它可能不是一顆小行星。一些偵探追蹤到助推器在1966年回到了地球附近。
  • 自然界中存在天然形成的拓撲絕緣體
    本報訊 據《自然》網站3月8日報導，最近，德國馬克斯·普朗克研究院固體研究所科學家發現，自然界中也存在天然形成的拓撲絕緣體，而且比人工合成的更純淨。這一發現對建造自旋電子設備具有促進作用，並有助於設計開發用電子自旋來編碼信息的量子計算機。研究結果發表在最近出版的《納米快報》上。
  • 研究發現激子可以使電子設備更節能
    EPFL研究人員已經開發出一種新方法，他們相信這種方法可以使未來電子設備更加節能。