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Uma pesquisa recente liderada pela Austrália forneceu a primeira medição mundial de interações entre Fermi polarons em um semicondutor 2D atomicamente fino, usando espectroscopia ultrarrápida capaz de sondar materiais quânticos complexos.
Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Swinburne encontraram as assinaturas de interações entre exciton-polarons em experimentos com o dissulfeto de tungstênio de monocamada de semicondutor 2D.
Colaboradores do FLEET na Monash University e RMIT desenvolveram um modelo teórico para explicar os sinais experimentais. Eles descobriram que as interações repulsivas a longo alcance são mediadas por um efeito de preenchimento do espaço de fase, enquanto as interações atrativas a curto alcance levaram à formação de um estado exciton-exciton-elétron cooperativamente ligado.
O material
Dissulfeto de tungstênio (WS2) vem da família de dicalcogenetos de metais de transição semicondutores (TMDCs). Quando o material a granel é esfoliado até uma única monocamada atômica (menos de 1 nanômetro de espessura), a física desses materiais 2D se torna realmente interessante e controlável.
Grande parte da física intrigante é descrita pela criação e interações de quasipartículas*. Os excitons são uma dessas quasipartículas e dominam a resposta óptica da monocamada WS2. Os excitons são formados quando os elétrons da banda de valência são excitados para a banda de condução. A vacância deixada para trás (um buraco) pode então se ligar ao elétron excitado através das forças de Coulomb, formando o éxciton.
“Esta imagem fica mais complexa quando há excesso de elétrons na monocamada”, explica o principal autor Jack Muir. “Esses elétrons ‘sobressalentes’ podem ficar nas bandas de condução e não interagir diretamente com a luz. O éxciton pode então se ligar a esses elétrons em excesso formando trions.”
Fermi Polarons
Mas o que acontece se a densidade da dopagem for aumentada? Já não existe apenas um elétron para cada éxciton, mas cinco, dez, centenas… Neste ponto, o éxciton pode ser considerado um defeito em um mar de elétrons. As interações entre um éxciton e o mar de elétrons de Fermi levam à formação de novas quasipartículas – polarons.
Como o professor de Monash Meera Parish aponta, “Ter um defeito em um mar de Fermi é um problema universal além dos semicondutores 2D. As quasipartículas de Polaron desempenham um papel importante em uma série de sistemas, incluindo gases atômicos frios e até mesmo a crosta interna de estrelas de nêutrons”.
O experimento
A espectroscopia coerente multidimensional (MDCS) utiliza quatro pulsos de laser ultrarrápidos controlados com precisão para revelar e quantificar interações.
“A maioria das técnicas espectroscópicas, como a fotoluminescência, são incapazes de separar as interações da resposta de uma única partícula. O MDCS é otimizado para fazer exatamente isso”, explica o autor correspondente, Professor Jeffrey Davis.
A variação da polarização dos diferentes pulsos revelou uma observação interessante: só há interações entre os polarons de Fermi quando eles estão acoplados ao mesmo mar de Fermi.
“Foi emocionante, nada como isso havia sido visto antes nesses sistemas e a física por trás disso era nova”, diz Jack.
Preenchimento de espaço de fase
O mecanismo dessas interações foi identificado como proveniente de um efeito de ‘preenchimento de espaço de fase’:
Quando um elétron no mar de Fermi interage com um éxciton como parte de um polaron, ele é incapaz de se envolver na formação de outro polaron. Isso resulta em uma força repulsiva entre os polarons e explica a interação seletiva que observamos com o experimento.
Interações atrativas entre polarons, levando à formação de bipolarons também foram identificadas. Acredita-se que a energia de ligação notavelmente grande desses bipolarons seja exclusiva dos TMDCs baseados em tungstênio e é resultado da ordenação de banda específica em WS2.
A identificação de interações repulsivas e atrativas, e os mecanismos subjacentes, é um passo importante para a compreensão completa de Fermi polarons e interações de quasipartículas de forma mais ampla. Com essa entrada, estamos um passo mais perto de desvendar a rica física de materiais complexos e controlar suas notáveis propriedades macroscópicas.
Bipolaron fortemente ligado
Interações entre Fermi polarons em monocamada WS2 foi publicado em Comunicações da Natureza em outubro de 2022 (DOI 10.1038/s41467-022-33811-x). O trabalho foi financiado pelo Australian Research Council Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET).
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