伍倫貢大學(xué)和莫納什大學(xué)的一項(xiàng)合作研究發(fā)現(xiàn)了證據(jù)，證明上世紀(jì)60年代預(yù)測(cè)的物質(zhì)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(dú)特特征。

這一發(fā)現(xiàn)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(jìn)一步研究將需要充分理解這一物質(zhì)新階段的豐富物理學(xué)。發(fā)現(xiàn)物質(zhì)新相是凝聚態(tài)物理學(xué)的主要目標(biāo)之一。

對(duì)開(kāi)發(fā)低能量電子新技術(shù)具有重要意義，而低能量電子技術(shù)是ARC中心的主要目標(biāo)。上世紀(jì)60年代提出，在小的間接帶隙材料中，由于載流子密度過(guò)低，無(wú)法屏蔽電子與空穴之間具有吸引力的庫(kù)侖相互作用，因此可以自發(fā)形成激子。其結(jié)果是一種新型的強(qiáng)相互作用絕緣相，稱為激子絕緣體。在絕緣子族中，第一個(gè)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干涉引起的無(wú)序也可能產(chǎn)生其他絕緣狀態(tài)。

例如：安德森絕緣體，其中電子被量子干涉定域，拓?fù)浣^緣體，由于帶反轉(zhuǎn)，在體中有間隙，但在表面/邊緣處無(wú)導(dǎo)電性態(tài)。激子絕緣子是絕緣子與金屬臨界過(guò)渡點(diǎn)的一種新物質(zhì)相，是凝聚態(tài)物理學(xué)先驅(qū)們?cè)?0世紀(jì)60年代提出。在激子絕緣體中，決定物理性質(zhì)的是玻色子粒子而不是電子。激子絕緣子已被預(yù)測(cè)具有許多新的性質(zhì)，包括結(jié)晶態(tài)激子態(tài)、超流態(tài)和激子高溫超導(dǎo)性。發(fā)現(xiàn)這類新型絕緣子的突破，引起了凝聚態(tài)物理學(xué)家和二維材料科學(xué)家的極大關(guān)注。

研究團(tuán)隊(duì)使用掃描隧道顯微鏡(STM)和光譜(STS)來(lái)表明：在量子限制的單質(zhì)銻納米薄片中，庫(kù)侖相互作用的增強(qiáng)將系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)到激子絕緣體狀態(tài)。直接觀察到激子絕緣子的獨(dú)特特性，即電荷密度波(CDW)無(wú)周期性晶格畸變，此外，STS顯示了費(fèi)米表面附近CDW引起的間隙。這些結(jié)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(fā)表在《納米快報(bào)》上。

激子是玻色子和空穴的強(qiáng)束縛對(duì)，是通過(guò)吸引電子-空穴庫(kù)侖相互作用而形成。其結(jié)合能(Eb)的值降低了系統(tǒng)能量。如果這樣的激子可以自發(fā)形成，那么結(jié)果將是一個(gè)激子絕緣子相。在半導(dǎo)體或絕緣體中，激子的形成需要克服帶隙能量(如產(chǎn)生電子空穴對(duì)所需的能量)。激子的自發(fā)形成需要Eb >。然而，在半導(dǎo)體和絕緣體中，Eg通常比Eb大得多，可以阻止自發(fā)激子的形成。

在這項(xiàng)研究中，研究人員利用非常薄的材料中強(qiáng)庫(kù)侖相互作用來(lái)促進(jìn)銻中的激子絕緣子相。迄今為止，許多顯示CDW的材料被認(rèn)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(xiàn)出強(qiáng)烈的周期晶格畸變(PLD)，這表明CDW是由電子-聲子耦合驅(qū)動(dòng)，而不是由激子絕緣子狀態(tài)驅(qū)動(dòng)。這項(xiàng)新研究通過(guò)在沒(méi)有PLD的情況下對(duì)CDW的觀測(cè)，為銻納米薄片中激發(fā)態(tài)絕緣子相的形成提供了可靠證據(jù)。

博科園｜研究/來(lái)自：FLEET

參考期刊《納米快報(bào)》

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01123

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