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(Noticias de Nanowerk) Investigaciones recientes han proporcionado una primera medición de las interacciones entre Fermi-polarons en un semiconductor 2D atómicamente delgado utilizando espectroscopia ultrarrápida capaz de sondear materiales cuánticos complejos (comunicación de la naturaleza“Interacciones entre Fermi-polarons en monocapa WS2«).
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Swinburne encontraron las firmas de las interacciones entre los excitones y los polarones en experimentos sobre el disulfuro de tungsteno monocapa de semiconductores 2D.
Los colaboradores de FLEET de la Universidad de Monash y RMIT desarrollaron un modelo teórico para explicar las señales experimentales. Descubrieron que las interacciones repulsivas de largo alcance están mediadas por un efecto de llenado del espacio de fase, mientras que las interacciones atractivas de corto alcance conducen a la formación de un estado de excitón-excitón-electrón unido cooperativamente.
El material
Disulfuro de tungsteno (WS2) proviene de la familia de dicalcogenuros de metales de transición semiconductores (TMDC). Cuando el material a granel se exfolia hasta una sola monocapa atómica (menos de 1 nanómetro de espesor), la física de estos materiales 2D se vuelve realmente interesante y controlable.
Gran parte de la fascinante física se describe mediante la formación e interacción de cuasipartículas. Los excitones son una de esas cuasipartículas y dominan la respuesta óptica de la monocapa WS.2. Los excitones se forman cuando los electrones se excitan desde la banda de valencia hacia la banda de conducción. La vacante restante (un hueco) puede unirse al electrón excitado por las fuerzas de Coulomb y formar el excitón.
Las cuasipartículas son excitaciones en un sistema de muchas partículas y son una forma conveniente de relacionar la física microscópica con las propiedades macroscópicas. Comprender las excitaciones de las cuasipartículas y sus interacciones es crucial para los esfuerzos por controlar los materiales complejos (como los superconductores de alta temperatura y los aisladores topológicos) que podrían formar la base del futuro procesamiento de información cuántica y electrónica de baja energía.
«Esta imagen se vuelve más compleja cuando hay un exceso de electrones en la monocapa», explica el autor principal Jack Muir. “Estos electrones de ‘reserva’ pueden sentarse en las bandas de conducción y no interactuar directamente con la luz. Luego, el excitón puede unirse a estos electrones en exceso y formar triiones”.
polarones de fermi
Pero, ¿qué sucede cuando aumenta la densidad de dopaje? Para cada excitón, ya no hay un solo electrón, sino cinco, diez, cien… Llegados a este punto, el excitón puede verse como un defecto en un mar de electrones. Las interacciones entre un excitón y el mar de electrones de Fermi conducen a la formación de nuevas cuasipartículas: polarones.
Como señala el profesor Meera Parish de Monash: “Un defecto en un mar de Fermi es un problema universal que va más allá de los semiconductores 2D. Las cuasipartículas de Polaron juegan un papel importante en una variedad de sistemas, incluidos los gases atómicos fríos e incluso la corteza interna de las estrellas de neutrones”.
El experimento
La espectroscopia coherente multidimensional (MDCS) utiliza cuatro pulsos de láser ultrarrápidos controlados con precisión para revelar y cuantificar las interacciones.
“La mayoría de las técnicas espectroscópicas, como la fotoluminiscencia, no pueden separar las interacciones de las respuestas de una sola partícula. MDCS está optimizado para hacer precisamente eso”, explica el autor correspondiente, el profesor Jeffrey Davis.
Variar la polarización de los diferentes pulsos dio una observación interesante: solo hay interacciones entre los polarones de Fermi cuando están acoplados al mismo mar de Fermi.
«Fue emocionante, nunca antes se había visto nada como esto en estos sistemas y la física detrás de esto era nueva», dice Jack.
relleno del espacio de fase
Se descubrió que el mecanismo de estas interacciones surge de un efecto de «relleno del espacio de fase»:
Si un electrón en el mar de Fermi interactúa con un excitón como parte de un polarón, no puede participar en la formación de otro polarón. Esto conduce a una fuerza repulsiva entre los polarones y explica la interacción selectiva que observamos en el experimento.
Bipolaron fuertemente ligado
También se han identificado interacciones atractivas entre polarones que conducen a la formación de bipolarones. Se cree que la energía de enlace notablemente grande de estos bipolarones es exclusiva de los TMDC basados en tungsteno y es el resultado del orden de banda específico en WS2.
Identificar las interacciones repulsivas y atractivas y los mecanismos subyacentes es un paso importante hacia una comprensión más completa de las interacciones entre fermipolarones y cuasipartículas. Con esta información, estamos un paso más cerca de desentrañar la rica física de los materiales complejos y controlar sus notables propiedades macroscópicas.
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