Nachricht

Jun 11, 2023

Physiker erschaffen neuen exotischen Zustand der Materie: Bosonischer korrelierter Isolator

Dies ist das erste Mal, dass ein hochgeordneter Kristall bosonischer Teilchen, sogenannte Exzitonen, in einem realen – im Gegensatz zu einem synthetischen – Materiesystem erzeugt wurde. Xiong et al. beobachtete einen korrelierten Isolator

Dies ist das erste Mal, dass ein hochgeordneter Kristall bosonischer Teilchen, sogenannte Exzitonen, in einem realen – im Gegensatz zu einem synthetischen – Materiesystem erzeugt wurde.

Xiong et al. beobachteten einen korrelierten Isolator von Zwischenschicht-Exzitonen in einer Doppelschicht bestehend aus Wolframdiselenid, das Löcher beherbergte, und Wolframdisulfid, das Elektronen beherbergte. Bildquelle: Xiong et al., doi: 10.1126/science.add5574.

Subatomare Teilchen gibt es in zwei großen Typen: Fermionen und Bosonen. Einer der größten Unterschiede liegt in ihrem Verhalten.

Bosonen können das gleiche Energieniveau einnehmen; Fermionen bleiben nicht gern zusammen. Zusammen bilden diese Verhaltensweisen das Universum, wie wir es kennen.

Fermionen wie Elektronen liegen der Materie zugrunde, mit der wir am besten vertraut sind, da sie stabil sind und durch elektrostatische Kraft interagieren.

Unterdessen sind Bosonen wie Photonen tendenziell schwieriger zu erzeugen oder zu manipulieren, da sie entweder flüchtig sind oder nicht miteinander interagieren.

„Ein Hinweis auf ihr unterschiedliches Verhalten liegt in ihren unterschiedlichen quantenmechanischen Eigenschaften“, sagte Erstautor Richen Xiong, ein Doktorand an der University of California in Santa Barbara.

„Fermionen haben halbzahlige Spins wie 1/2 oder 3/2 usw., während Bosonen ganzzahlige Spins (1, 2 usw.) haben.“

„Ein Exziton ist ein Zustand, in dem ein negativ geladenes Elektron (Fermion) an sein positiv geladenes Gegenloch (ein anderes Fermion) gebunden ist, wobei die beiden halbzahligen Spins zusammen eine ganze Zahl ergeben und ein bosonisches Teilchen erzeugen.“

Um Exzitonen in ihrem System zu erzeugen und zu identifizieren, legten Xiong und Kollegen die beiden Gitter übereinander und bestrahlten sie mit starkem Licht in einer Methode, die sie Pump-Probe-Spektroskopie nennen.

Die Kombination von Teilchen aus jedem der Gitter (Elektronen aus dem Wolframdisulfid und Löcher aus dem Wolframdiselenid) und das Licht schufen eine günstige Umgebung für die Bildung und Wechselwirkungen zwischen den Exzitonen und ermöglichten es den Forschern gleichzeitig, das Verhalten dieser Teilchen zu untersuchen.

„Und als diese Exzitonen eine bestimmte Dichte erreichten, konnten sie sich nicht mehr bewegen“, sagte der leitende Autor Dr. Chenhao Jin, ein Physiker an der University of California in Santa Barbara.

Dank starker Wechselwirkungen zwang das kollektive Verhalten dieser Partikel bei einer bestimmten Dichte sie in einen kristallinen Zustand und erzeugte aufgrund ihrer Unbeweglichkeit eine isolierende Wirkung.

„Was hier geschah, ist, dass wir die Korrelation entdeckten, die die Bosonen in einen hochgeordneten Zustand brachte“, sagte Xiong.

Im Allgemeinen bildet eine lose Ansammlung von Bosonen bei ultrakalten Temperaturen ein Kondensat, aber in diesem System organisieren sie sich mit Licht und erhöhter Dichte und Wechselwirkung bei relativ höheren Temperaturen zu einem symmetrischen festen und ladungsneutralen Isolator.

Die Entstehung dieses exotischen Materiezustands beweist, dass die Moiré-Plattform und die Pump-Probe-Spektroskopie der Forscher ein wichtiges Mittel zur Herstellung und Untersuchung bosonischer Materialien werden könnten.

„Es gibt Vielteilchenphasen mit Fermionen, die zu Dingen wie Supraleitung führen“, erklärte Xiong.

„Es gibt auch Vielteilchen-Gegenstücke mit Bosonen, die ebenfalls exotische Phasen sind.“

„Wir haben also eine Plattform geschaffen, weil wir keine wirklich gute Möglichkeit hatten, Bosonen in realen Materialien zu untersuchen.“

„Obwohl Exzitonen gut untersucht sind, gab es bis zu diesem Projekt keine Möglichkeit, sie dazu zu bringen, stark miteinander zu interagieren.“

Mit der Methode des Teams könnte es möglich sein, nicht nur bekannte bosonische Teilchen wie Exzitonen zu untersuchen, sondern mit neuen bosonischen Materialien auch mehr Fenster in die Welt der kondensierten Materie zu öffnen.

„Wir wissen, dass einige Materialien sehr bizarre Eigenschaften haben“, sagte Dr. Jin.

„Und ein Ziel der Physik der kondensierten Materie besteht darin, zu verstehen, warum sie diese reichen Eigenschaften haben, und Wege zu finden, diese Verhaltensweisen zuverlässiger zum Vorschein zu bringen.“

Die Arbeit erscheint in der Zeitschrift Science.

_____

Richen Xiong et al. 2023. Korrelierter Isolator von Exzitonen in WSe2/WS2-Moiré-Übergittern. Wissenschaft 380 (6647): 860-864; doi: 10.1126/science.add5574