Nghiên cứu gần đây do Úc dẫn đầu đã cung cấp phép đo đầu tiên trên thế giới về tương tác giữa các phân cực Fermi trong chất bán dẫn 2D mỏng về mặt nguyên tử, sử dụng quang phổ cực nhanh có khả năng thăm dò các vật liệu lượng tử phức tạp.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Swinburne đã tìm thấy dấu hiệu của sự tương tác giữa các exciton-phân cực trong các thí nghiệm trên vonfram-disulfua đơn lớp bán dẫn 2D.
>> Tham khảo: Chất bán dẫn kỳ diệu thế hệ tiếp theo.
Các cộng tác viên của FLEET tại Đại học Monash và RMIT đã phát triển một mô hình lý thuyết để giải thích các tín hiệu thử nghiệm. Họ phát hiện ra rằng các tương tác đẩy ở tầm xa được trung gian bởi hiệu ứng lấp đầy không gian pha, trong khi các tương tác hấp dẫn ở tầm ngắn dẫn đến sự hình thành trạng thái exciton-exciton-electron liên kết hợp tác.
Vật liệu
Vonfram-disulfua (WS2) đến từ họ dichalcogenua kim loại chuyển tiếp bán dẫn (TMDCs). Khi vật liệu khối được tách ra thành một lớp đơn nguyên tử (dày chưa đến 1 nanomet), tính chất vật lý của những vật liệu 2D này trở nên thực sự thú vị và có thể kiểm soát được.
Phần lớn vật lý hấp dẫn được mô tả bằng sự tạo ra và tương tác của các quasiparticle*. Exciton là một trong những giả hạt như vậy và chúng chiếm ưu thế trong phản ứng quang học của WS2 đơn lớp.
Exciton được hình thành khi các electron từ vùng hóa trị bị kích thích vào vùng dẫn. Chỗ trống để lại (lỗ trống) sau đó có thể liên kết với electron bị kích thích thông qua lực Coulomb, tạo thành exciton.
>> Tham khảo: Những toa tàu đã được sửa đổi có thể thu được carbon từ không khí không?
Tác giả chính Jack Muir giải thích: “Bức tranh này trở nên phức tạp hơn khi có quá nhiều electron trong lớp đơn lớp. “Các electron ‘dự phòng’ này có thể nằm trong dải dẫn và không tương tác trực tiếp với ánh sáng. Sau đó, exciton có thể liên kết với các electron dư thừa này để tạo thành triôn
Fermi Polaron
Nhưng điều gì xảy ra nếu mật độ pha tạp tăng lên? Không còn chỉ có một electron cho mỗi exciton nữa mà là năm, mười, hàng trăm… Tại thời điểm này, exciton có thể được coi là một khuyết tật trong một biển electron. Tương tác giữa một exciton và biển điện tử Fermi dẫn đến sự hình thành các quasiparticle mới – các phân cực.
Như Giáo sư Meera Parish của Monash đã chỉ ra, “Có một khiếm khuyết trong biển Fermi là một vấn đề phổ biến ngoài chất bán dẫn 2D. Các quasiparticle Polaron đóng một vai trò quan trọng trong một loạt các hệ thống bao gồm khí nguyên tử lạnh và thậm chí cả lớp vỏ bên trong của các sao neutron.”
>> Tham khảo: Làm nóng sơ bộ ô tô chở khách tạo ra lượng khí thải dạng hạt nhiều như khi lái xe hàng chục km.
Cuộc thí nghiệm
Quang phổ kết hợp đa chiều (MDCS) sử dụng bốn xung laser cực nhanh được điều khiển chính xác để phát hiện và định lượng các tương tác.
“Hầu hết các kỹ thuật quang phổ, chẳng hạn như phát quang, không thể tách các tương tác khỏi phản ứng hạt đơn lẻ. MDCS được tối ưu hóa để làm việc đó”, giáo sư Jeffrey Davis giải thích.
Việc thay đổi độ phân cực của các xung khác nhau cho thấy một quan sát thú vị: Chỉ có tương tác giữa các phân cực Fermi khi chúng được ghép với cùng một biển Fermi.
Jack nói: “Thật thú vị, điều này chưa từng được thấy trước đây trong các hệ thống này và vật lý đằng sau nó là mới”.
Lấp đầy không gian theo pha
Cơ chế của những tương tác này được xác định là xuất phát từ hiệu ứng ‘lấp đầy không gian pha’:
Khi một electron trong biển Fermi tương tác với một exciton như một phần của một phân cực, thì nó không thể tham gia vào việc hình thành một phân cực khác. Điều này dẫn đến lực đẩy giữa các phân cực và giải thích sự tương tác có chọn lọc mà chúng ta quan sát được trong thí nghiệm.
Các tương tác hấp dẫn giữa các phân cực, dẫn đến sự hình thành các lưỡng cực cũng đã được xác định. Năng lượng liên kết lớn đáng kể của các lưỡng cực này được cho là duy nhất đối với các TMDC dựa trên vonfram và là kết quả của thứ tự dải cụ thể trong WS2.
>> Tham khảo: Vi khuẩn phổ biến được biến đổi để tạo ra thuốc dựa trên đường thiết kế.
Việc xác định cả tương tác đẩy và tương tác hấp dẫn, và các cơ chế cơ bản, là một bước quan trọng để hiểu đầy đủ về các phân cực Fermi và tương tác quasiparticle một cách rộng rãi hơn. Với thông tin đầu vào này, chúng tôi đang tiến một bước gần hơn đến việc làm sáng tỏ nền vật lý phong phú của các vật liệu phức tạp và kiểm soát các đặc tính vĩ mô đáng chú ý của chúng.
Lưỡng cực liên kết mạnh
Tương tác giữa các phân cực Fermi trong WS2 đơn lớp đã được xuất bản trên tạp chí Nature Communications vào tháng 10 năm 2022 (DOI 10.1038/s41467-022-33811-x). Công trình được tài trợ bởi Trung tâm xuất sắc của Hội đồng nghiên cứu Úc về công nghệ điện tử năng lượng thấp trong tương lai (FLEET).
