ฉนวนเอกซิโทนิกถูกสร้างขึ้นในชั้นเคลือบมัวเร

ตัวฉนวนเอกซิโทนิก – สสารประเภทแปลกใหม่ที่มีสถานะพื้นประกอบด้วยคู่อิเล็กตรอนและโฮลที่ถูกผูกไว้ – ถูกสร้างขึ้นโดยกลุ่มวิจัยอิสระสองกลุ่ม ตัวฉนวนเอกซิโทนิกถูกสร้างขึ้นในวัสดุชั้นที่เรียกว่าโครงสร้าง heterostructures ของ van der Waals และการวิจัยอาจนำไปสู่การค้นพบเฟสควอนตัมใหม่ของสสาร เช่น excitonic superfluids ฉนวน Excitonic ยังสามารถนำไปใช้งานด้านวิศวกรรมได้อีกด้วย

โดยปกติแล้ว Exciton จะก่อตัวขึ้นในฉนวนหรือสารกึ่งตัวนำเมื่ออิเล็กตรอนถูกเลื่อนให้เป็นแถบพลังงาน

ที่สูงขึ้น (เช่น โฟตอน) โดยทิ้ง “รู” ที่มีประจุบวกไว้เบื้องหลัง 

อิเล็กตรอนและโฮลจับกันเพื่อสร้าง exciton ที่ทำตัวเหมือนอนุภาค ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไม exciton จึงถูกจัดประเภทเป็น quasiparticles

ย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 1960 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวอังกฤษและอนาคตผู้ได้รับรางวัลโนเบล เนวิลล์ มอตต์ ให้เหตุผลว่า หากปรับโครงสร้างวงดนตรีของวัสดุจนในบางจุด ระดับพลังงานบนต่ำกว่าระดับพลังงานล่าง สถานะพื้นของ ระบบจะมี excitons อิเลคตรอนและโฮลจะยังคงผูกพันกันด้วยอันตรกิริยาของคูลอมบ์ แต่มันไม่เอื้ออำนวยต่อการรวมตัวใหม่ เนื่องจาก excitons จะมีประจุเป็นกลาง พวกมันจะไม่นำกระแสไฟฟ้าและวัสดุที่ได้จะเป็นฉนวน

สิ่งนี้ยังคงเป็นสมมุติฐานอย่างแท้จริงจนกระทั่งปีที่แล้ว เมื่อสองกลุ่ม – หนึ่งนำโดยSanfeng Wuและเพื่อนร่วมงานที่ Princeton University ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ และอีกกลุ่มหนึ่งโดยDavid Cobdenของ University of Washington ในซีแอตเติล – พบหลักฐานที่บ่งชี้ว่า monolayer tungsten ditelluride แสดงคุณสมบัติที่สอดคล้องกับสถานะฉนวน excitonic ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 K

มัวร์ superlattices

ในการวิจัยใหม่ ทีมงานอิสระสองทีม หนึ่งทีมนำโดยนักวิจัยจาก University of California, Berkeley; ส่วนอีกชิ้นหนึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างนักวิทยาศาสตร์ในสหรัฐอเมริกา จีน และญี่ปุ่น ซึ่งใช้วิธีการแบบสามชั้นที่คล้ายคลึงกันในการสร้างฉนวนเอ็กซิโทนิก ทั้งสองกลุ่มใช้โครงสร้าง heterostructures ซึ่งสองชั้นบนสุดก่อตัวเป็น moiré bilayer Bilayers เหล่านี้ถูกสร้างขึ้นเมื่อ monolayers หลายตัว – ในที่นี้คือทังสเตนไดซัลไฟด์และทังสเตนไดเซเลไนด์ – ถูกบิดให้สัมพันธ์กัน สิ่งนี้จะสร้าง “ซูเปอร์แลตทิซ” 

เมื่อแต่ละแลตทิซเคลื่อนเข้าและออกจากเฟส วัสดุดังกล่าว

มีโครงสร้างแถบคาบ ซึ่งทำให้พวกมันสร้างฉนวนสัมพันธ์ที่แปลกใหม่อีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่าฉนวน Mott ซึ่งอิเล็กตรอนถูกจำกัดโดยคาบนี้

ทั้งสองกลุ่มยังใช้ชั้นเดียวของทังสเตนไดเซเลไนด์เป็นชั้นล่างสุด นักวิจัยที่นำโดย Berkeley ได้หุ้มฉนวน moiré bilayer จาก monolayer โดยใช้ชั้นโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยมที่บางระดับอะตอม พวกเขาใช้ค่าความต่างศักย์ข้ามโครงสร้างเฮเทอโร โดยเปลี่ยนชั้นที่เจือด้วยอิเล็กตรอนและชั้นใดที่เจือด้วยโฮล เมื่อใช้สเปกโทรสโกปีแบบสะท้อนแสง นักวิจัยสังเกตอิเล็กตรอนในชั้นหนึ่งจับกับรูในชั้นอื่นๆ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 60 เค “เมื่อคุณเติมสาร Moiré bilayer ที่มีรู คุณจะได้รูที่ไซต์ตาข่ายแต่ละแห่ง” Zuocheng Zhangจาก Berkeley อธิบาย “ถ้าเราฉีดอิเลคตรอนที่ฉนวน Mott โดยทั่วไปแล้วรูจะหายไป แต่รูในชั้นเดียวมักจะอยู่เหนือส่วนที่ไม่มีรูเพื่อลดปฏิกิริยาของคูลอมบ์ที่แรงมาก”

ทีมสหรัฐฯ-จีน-ญี่ปุ่นทำการทดลองที่คล้ายกัน โดยใช้สนามไฟฟ้าประยุกต์เพื่อปรับระดับพลังงานของทังสเตนไดเซเลไนด์ 2 ชั้นที่อยู่ติดกันเพื่อสร้าง exciton ระหว่างชั้น อย่างไรก็ตาม พวกเขาไม่ได้ใช้ชั้นโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม Sufei Shi สมาชิกในทีม จาก Rensselaer Polytechnic Institute ในนิวยอร์กกล่าวว่า “วัสดุทั้งสองนี้ถูกแยกออกจากกันโดยธรรมชาติด้วยช่องว่างของ van der Waals ซึ่งเป็นฉนวน” “ถ้าคุณมีโบรอนไนไตรด์อยู่ระหว่างนั้น นั่นจะเพิ่มการแยกเชิงพื้นที่ แต่จะลดอันตรกิริยาของคูลอมบ์” นักวิจัยเชื่อว่าประโยชน์ของการแลกเปลี่ยนนี้อาจเห็นได้จากอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงที่สูงขึ้นที่ 90 เค

โบซอนที่เป็นกลาง

ทั้งสองทีมมีเป้าหมายที่จะใช้แพลตฟอร์มของตนเพื่อศึกษาคุณสมบัติของฉนวนเอ็กซิโทนิกเพิ่มเติม ซึ่งพวกเขาเชื่อว่าอาจแตกต่างอย่างชัดเจนจากฉนวนที่แปลกใหม่อื่นๆ เช่น ฉนวน Mott Yongtao Cuiจาก University of California, Riverside ซึ่งเป็นสมาชิกของทีมสหรัฐฯ-จีน-ญี่ปุ่นกล่าวว่า “ในฉนวน Mott ทุกอย่างเป็นอิเล็กตรอน ดังนั้นพวกมันจึงยังคงเป็นเฟอร์มิออน” “ในฉนวน excitonic หน่วยพื้นฐานคือสถานะที่ยึดเหนี่ยวกันของอิเล็กตรอนและโฮล ซึ่งมีประจุเป็นกลาง และพวกมันคือโบซอน” สิ่งนี้อาจนำไปสู่สถานะที่แปลกใหม่ของสสาร เช่น excitonic superfluids สมาชิกในทีมChuanwei Zhangแห่งมหาวิทยาลัยเทกซัส เมืองดัลลัส กล่าวว่า ยังคงมีอุปสรรคอยู่หลายประการ เช่น การเพิ่มความหนาแน่นของการกระตุ้นและลดอุณหภูมิ ทำให้พวกเขาถูกแยกส่วนมากพอที่จะไปถึงความเสื่อมของควอนตัม นักวิจัยของ Berkeley ยังวางแผนที่จะศึกษา exciton superfluidity

“ฉันคิดว่าสิ่งเหล่านี้สวยงาม สำคัญ [การศึกษา]” Wu กล่าว “แนวคิดทางทฤษฎีเกิดขึ้นเมื่อครึ่งศตวรรษที่แล้ว และเรายังคงอยู่ในขั้นตอนของการพยายามหาข้อสรุป [excitonicลูกถ้วย] และด้วย excitonicลูกถ้วยมีหลายประเภท” เขากล่าวว่านักวิจัยจำเป็นต้องพัฒนาเทคนิคการตรวจจับที่ชัดเจนมากขึ้น ยิ่งไปกว่านั้น เขาเชื่อว่างานปัจจุบันสามารถค้นหาการใช้งานทางวิศวกรรมใน “excitonics” โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างอุปกรณ์ที่ใช้ exciton เพื่อถ่ายโอนข้อมูลโดยไม่สูญเสียความร้อนที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนประจุ อย่างไรก็ตาม excitonics ที่ใช้งานได้จริงถูกจำกัดด้วยอายุการใช้งานที่สั้นของ excitons ที่กระตุ้นด้วยแสง Wu ชี้ให้เห็นว่างานล่าสุดเสนอวิธีแก้ปัญหานี้ “เมื่อเทียบกับ excitons ที่รู้จักทั้งหมดในเซมิคอนดักเตอร์ excitons เหล่านี้ในสถานะพื้นดินสามารถอยู่ได้เป็นเวลานานมาก” เขากล่าว

งานวิจัยได้อธิบายไว้ในเอกสาร 2 ฉบับคือNature Physics เอกสารฉบับหนึ่งเป็นของทีมที่นำโดย Berkeley และเอกสารอีกฉบับเป็นของทีมสหรัฐฯ-จีน-ญี่ปุ่น

แนะนำ : รีวิวซีรี่ย์เกาหลี | ลายสัก | รีวิวร้านอาหาร | โทรศัพท์มือถือ ราคาถูก | เรื่องย่อหนัง