Terbukti Tungsten Ditelluride Monolayer: Isolator Eksitonik
Terbukti Tungsten Ditelluride Monolayer: Isolator Eksitonik – Tungsten ditelluride (WTe 2 ) adalah dichalcogenide logam transisi dengan banyak sifat dan karakteristik yang menguntungkan, yang menjadikannya bahan yang ideal untuk berbagai aplikasi elektronik.
Studi sebelumnya telah menetapkan bahwa kristal 2D WTe 2 yang disusun dalam satu lapisan membentuk isolator topologi monolayer pertama, menunjukkan sifat topologi yang bertahan hingga suhu yang sangat tinggi (~ 100 K).
Selama beberapa tahun terakhir, fisikawan telah mampu memahami asal-usul topologi material dengan cukup baik. Meskipun demikian, alasan mengapa monolayer WTe 2 berperilaku sebagai isolator (yaitu, elektron tidak dapat bergerak bebas dalam material) masih belum jelas. Prediksi dan perhitungan teoretis menunjukkan bahwa material pada prinsipnya harus semilogam, di mana elektron dan lubang hidup berdampingan dan bergerak bebas.
Para peneliti di Universitas Princeton baru-baru ini melakukan penelitian yang menyelidiki sifat elektronik monolayer WTe 2, dengan harapan dapat lebih memahami alasan mengapa ia bertindak sebagai isolator. Makalah mereka, yang diterbitkan di Nature Physics, memberikan bukti kuat bahwa bahan tersebut adalah isolator eksitonik, yang muncul dari pembentukan spontan keadaan terikat lubang elektron yang dikenal sebagai ‘excitons.’
“Tujuan awal dari pekerjaan kami adalah untuk memahami sifat kuantum dari bahan 2D monolayer WTe 2 yang sangat baru”, Sanfeng Wu, salah satu peneliti yang melakukan penelitian, mengatakan kepada Phys.org. Selama bertahun-tahun, berbagai cara untuk menjelaskan asal-usul keadaan isolator dibahas secara tidak konsisten dalam literatur.
Pekerjaan kami melakukan studi sistematis untuk mengatasi teka-teki ini dan menemukan bukti kuat bahwa isolator 2D ini adalah isolator eksitonik, yang telah lama dicari. setelah keadaan kuantum materi elektronik dalam padatan.”
Keberadaan isolator eksitonik pertama kali diprediksi pada tahun 1960-an. Pada saat itu, fisikawan menyarankan bahwa dalam semikonduktor atau semilogam celah kecil, elektron dan lubang kadang-kadang dapat bergabung untuk membentuk partikel komposit (yaitu, eksiton). Proses ini pada gilirannya akan menghasilkan fase isolasi yang kuat, yang akan sangat berbeda dari isolator listrik standar.
“Excitons adalah partikel bermuatan netral, seperti atom hidrogen,” jelas Wu. “Konsep eksiton bukanlah hal baru dalam fisika semikonduktor, misalnya, eksiton memainkan peran kunci dalam eksitasi optik dan emisi semikonduktor. Namun, eksiton tereksitasi optik dalam semikonduktor berumur sangat pendek karena harus meluruh, katakanlah dengan memancarkan cahaya, dalam nanodetik.
Sebaliknya, dalam isolator eksitonik, eksiton tidak memancarkan cahaya dan tidak membusuk.”
Dalam isolator eksitonik, eksiton disembunyikan dalam keadaan isolator, yang membuatnya sulit untuk dideteksi secara eksperimental. Akibatnya, mendemonstrasikan secara meyakinkan keberadaan keadaan isolator eksitonik sejauh ini terbukti sangat menantang.
Untuk menunjukkan bahwa monolayer WTe 2 adalah isolator eksitonik, Wu dan rekan-rekannya pertama-tama mencoba mengesampingkan semua penjelasan lain yang mungkin diketahui untuk perilaku isolasinya. Ini termasuk kemungkinan fase isolasi yang diinduksi gangguan dan isolator sepele dengan celah pita yang menyerupai semikonduktor tipikal.
“Ini adalah langkah yang sangat penting tetapi biasanya sangat sulit dilakukan untuk materi kandidat 3D,” kata Wu. “Kami memeriksa peran gangguan dengan membandingkan sampel dengan tingkat pengotor yang berbeda dan menemukan bahwa sampel yang lebih bersih menampung keadaan isolasi yang lebih kuat, mengungkap bahwa keadaan isolasi adalah properti intrinsik dari lapisan tunggal dalam batas bersih, daripada disebabkan oleh gangguan.”
Dalam percobaan mereka, para peneliti juga mengesampingkan kemungkinan bahwa monolayer WTe 2 adalah isolator pita. Untuk melakukan ini, mereka memeriksa kristal 2D WTe 2 menggunakan spektroskopi terowongan elektron, teknik yang terkenal dan kuat untuk membedakan keadaan isolasi berkorelasi dari isolator pita sepele.
“Kami menyimpulkan bahwa keadaan isolasi lapisan tunggal berkembang karena korelasi elektronik intrinsik,” kata Wu. “Menggabungkan ini dengan fakta bahwa keadaan muncul tepat pada netralitas muatan, yang berarti bahwa jumlah elektron dan lubang sama persis, menjadi jelas bahwa isolator monolayer adalah isolator eksitonik.”
Menariknya, Wu dan rekan-rekannya juga menemukan bahwa sampel monolayer WTe 2 yang mereka periksa menunjukkan perilaku transportasi yang tidak biasa yang konsisten dengan yang diharapkan dalam isolator eksitonik. Selanjutnya, mereka mengembangkan model teoretis yang mempertimbangkan korelasi lubang elektron, yang selanjutnya mendukung pembentukan fase isolator eksitonik.
“Kami mengumpulkan dua temuan penting yang mungkin memiliki implikasi luas,” kata Wu. “Pertama, penelitian kami menambahkan aspek baru yang signifikan untuk pemahaman bahan topologi 2D yang menunjukkan banyak sifat kuantum yang tidak biasa lainnya juga. Temuan ini merevisi pemahaman kita tentang fisika kuantum, di mana topologi dan korelasi elektron keduanya penting. Pada akhirnya bisa mengarah untuk penemuan-penemuan baru, terutama di kelas materi baru ini.”
Studi terbaru yang dilakukan oleh tim peneliti ini menunjukkan bahwa monolayer WTe 2 adalah kandidat isolator eksitonik 2D yang sangat menjanjikan. Di masa depan, itu dapat menginformasikan studi lebih lanjut yang memeriksa monolayer WTe 2 atau bahan lain dengan struktur serupa, untuk mengeksplorasi kemungkinan mengungkap lebih banyak bahan isolasi eksitonik.
“Pekerjaan kami memberikan peluang berharga untuk secara eksperimental mengatasi masalah isolator eksitonik yang sudah berusia 6 dekade,” kata Wu. “Temuan kami sudah menginspirasi ide-ide baru untuk secara langsung mendeteksi kegembiraan tersembunyi menggunakan pendekatan yang tidak mungkin dilakukan untuk materi kandidat sebelumnya.”
Hasil yang dikumpulkan oleh Wu dan rekan-rekannya membuka peluang baru yang menarik untuk pengembangan teknik eksperimental baru untuk mendeteksi fase kuantum netral yang tersembunyi dalam isolator. Ini dapat meningkatkan pemahaman tentang isolator listrik saat ini, dan yang lebih penting, mengarah pada penemuan jenis isolator listrik baru di luar yang standar.
“Pekerjaan kami mengidentifikasi monolayer WTe 2 sebagai platform unik dan belum pernah terjadi sebelumnya untuk studi masa depan tidak hanya keadaan isolasi eksitonik tetapi juga fase kuantum baru lainnya yang mungkin seperti superkonduktivitas eksitonik, terutama karena monolayer WTe 2 dapat disetel secara elektrostatik dari keadaan isolator eksitonik ke keadaan superkonduktor,” kata Yanyu Jia, seorang mahasiswa pascasarjana dan penulis utama makalah ini, kepada Phys.org.
“Mengungkap hubungan mendasar antara dua fase akan menarik dan tentu saja memperdalam pemahaman kita tentang fenomena kuantum dalam material.”
Dalam studi mereka berikutnya, Wu, Jia dan rekan-rekan mereka akan mencoba merancang prosedur eksperimental alternatif yang memungkinkan mereka mendeteksi rangsangan keadaan dasar secara langsung dan bahkan lebih meyakinkan. Selain itu, mereka ingin melakukan penelitian lebih lanjut yang berfokus pada kemungkinan fase kuantum baru yang dapat mengkarakterisasi isolator eksitonik.