激子絕緣體，研究證明了上世紀60年代的預測

2020-10-18 博科園

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

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