La combinación y combinación de modelos computacionales de materiales 2D llevó a los científicos de la Universidad de Rice a darse cuenta de que los excitones, cuasipartículas que existen cuando los electrones y los agujeros se unen brevemente, pueden manipularse de formas nuevas y útiles.
Los investigadores identificaron un pequeño conjunto de compuestos 2D con dimensiones de red atómica similares que, cuando se colocan juntos, permitirían la formación espontánea de excitones. En general, los excitones ocurren cuando la energía de la luz o la electricidad aumenta los electrones y los agujeros en un estado superior.
Pero en algunas de las combinaciones predichas por el teórico de materiales de Rice Boris Yakobson y su equipo, se observaron excitones estabilizándose en el estado fundamental de los materiales. Según su determinación, estos excitones en su estado de energía más bajo podrían condensarse en una fase de tipo superfluido.El descubrimiento es prometedor para aplicaciones de computación electrónica, espintrónica y cuántica.
"La misma palabra 'excitón' significa que los electrones y los agujeros 'saltan' hacia una energía superior", dijo Yakobson. "Todos los sistemas fríos se encuentran en sus estados de energía más bajos posibles, por lo que no hay excitones presentes. Pero encontramos unrealización de lo que parece una paradoja concebida por Nevill Mott hace 60 años: un sistema material donde se pueden formar y existir excitones en el estado fundamental ".
El estudio de acceso abierto de Yakobson, el estudiante graduado Sunny Gupta y el científico investigador Alex Kutana, todos de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice, aparece en Comunicaciones de la naturaleza .
Después de evaluar miles de posibilidades, el equipo modeló con precisión 23 heteroestructuras de bicapa, sus capas se mantuvieron alineadas libremente por fuerzas débiles de van der Waals, y calculó cómo se alinearon sus espacios de banda cuando se colocan uno al lado del otro.un electrón tiene que saltar para dar a un material sus propiedades semiconductoras. Los conductores perfectos metales o semimetales como el grafeno no tienen banda prohibida.
En última instancia, produjeron diagramas de fase para cada combinación, mapas que les permitieron ver cuál tenía el mejor potencial para el estudio experimental.
"Las mejores combinaciones se distinguen por una coincidencia de parámetros de red y, lo más importante, por las posiciones especiales de las bandas electrónicas que forman una brecha rota, también llamada tipo III", dijo Yakobson.
Los investigadores escribieron que, convenientemente, las combinaciones más robustas se pueden ajustar aplicando tensión a través de la tensión, la curvatura o un campo eléctrico externo. Eso podría permitir que el estado de fase de los excitones se sintonice para adquirir las propiedades de "fluido perfecto" deun condensado de Bose-Einstein o un condensado superconductor de BCS.
"En un condensado cuántico, las partículas bosónicas a bajas temperaturas ocupan un estado fundamental cuántico colectivo", dijo Gupta. "Eso admite fenómenos cuánticos macroscópicos tan notables como la superfluidez y la superconductividad".
"Los estados de condensado son intrigantes porque poseen propiedades cuánticas extrañas y existen en una escala diaria, accesibles sin microscopio, y solo se requiere baja temperatura", agregó Kutana. "Porque están en el estado de energía más bajo posible y debido a sunaturaleza cuántica, los condensados no pueden perder energía y se comportan como un fluido perfecto sin fricción.
"Los investigadores han estado buscando realizarlos en varios sistemas sólidos y de gas", dijo. "Tales sistemas son muy raros, por lo que tener materiales bidimensionales entre ellos expandiría enormemente nuestra ventana al mundo cuántico y crearía oportunidades para su usoen dispositivos nuevos y sorprendentes "
Las mejores combinaciones fueron conjuntos de bicapas de heteroestructura de antimonio-telurio-selenio con bismuto-telurio-cloro; hafnio-nitrógeno-yodo con circonio-nitrógeno-cloro; y litio-aluminio-teluro con bismuto-telurio-yodo.
"Excepto por tener parámetros de red similares dentro de cada par, las composiciones químicas parecen bastante poco intuitivas", dijo Yakobson. "No vimos forma de anticipar el comportamiento deseado sin el minucioso análisis cuantitativo".
"Uno nunca puede negar la oportunidad de encontrar una casualidad, como dijo Robert Curl, la química se trata de tener suerte, pero examinar cientos de miles de combinaciones de materiales no es realista en ningún laboratorio. Sin embargo, en teoría, se puede hacer"
Nueva investigación de la luz más antigua confirma la edad del universo
Las primeras imágenes del Orbitador Solar revelan 'fogatas' en el sol
Los científicos proponen un plan para determinar si el Planeta Nueve es un agujero negro primordial
Platón tenía razón: la Tierra está hecha, en promedio, de cubos
Nuevo modelo conecta la física de gotitas respiratorias con la propagación de Covid-19
Los científicos descubren que los volcanes en Venus todavía están activos