Nouvelle classe d'excitons à dimensionnalité hybride dans le diphosphure de silicium stratifié
Des chercheurs de l'Université de Nanjing et de l'Université de Beihang en Chine, ainsi que de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg, en Allemagne, ont produit une nouvelle classe d'exciton à dimensionnalité hybride en ingéniant les propriétés du diphosphure de silicium stratifié (SiP₂). Leurs travaux ont été publiés dans Nature Materials.
Image STEM-ADF en coupe transversale de SiP2
X. Zhao / L. Zhou / P. Tang / H. Yuan
Les excitons sont des particules liées qui se composent d'un électron chargé négativement et d'un trou électronique chargé positivement
. Leur comportement exotique offre une nouvelle plateforme importante pour étudier la physique des matériaux
lorsqu'ils sont couplés à d'autres états de la matière, comme les vibrations du réseau cristallin du matériau.
En utilisant SiP₂, des chercheurs chinois ont fabriqué un nouveau type de matériau dont les couches 2D sont liées par des forces de van der Waals et présentent de fortes interactions covalentes internes. Cela produit des chaînes phosphorées unidimensionnelles particulières le long desquelles les états électroniques peuvent se localiser. L'équipe a ensuite réussi à créer un nouveau type d'exciton à dimensionnalité hybride dans ce matériau en couches, ce qui signifie que l'électron a un caractère 1D et le trou des caractéristiques 2D. C'est la première fois qu'un tel phénomène est observé. Les théoriciens du MPSD ont confirmé les résultats à l'aide de simulations avancées.
En exposant le matériau à la lumière laser, les expérimentateurs ont pu créer et ensuite sonder ces états exitoniques, qui apparaissent comme des pics dans les spectres mesurés. En particulier, l'émergence d'un pic latéral particulier au pic excitonique principal dans les spectres montre une signature distincte des excitons de dimensionnalité hybride : En raison de leur forte dépendance à la structure interne du matériau, on s'attend à ce que les excitons nouvellement créés interagissent fortement avec d'autres excitations du matériau, comme les vibrations du réseau qui altèrent les chaînes de phosphore dans le SiP₂.
Le groupe de théorie du MPSD a ensuite confirmé ces résultats par une analyse approfondie sur
, en utilisant des méthodes de pointe pour étudier les particules excitoniques. Leurs simulations montrent que la particule est constituée d'un trou chargé positivement à caractère 2D et d'un électron chargé négativement qui est localisé le long des chaînes phosphorées unidimensionnelles, donnant lieu à des excitons à dimensionnalité mixte.
Les théoriciens ont démontré qu'un tel exciton interagit fortement avec les vibrations du réseau, ce qui génère la caractéristique de pic latéral mesurée expérimentalement. Une telle caractéristique n'a jusqu'à présent été mesurée que dans des matériaux de faible dimensionnalité comme les nanotubes de graphène ou les monocouches de dichalcogénure de métal de transition, mais pas dans un matériau massif comme le SiP₂.
Cette collaboration a démontré l'existence de bandes latérales exciton-phonon dans un cristal massif 3D ainsi que d'états excitoniques à dimensionnalité hybride. Les scientifiques cherchant de nouvelles façons de contrôler et d'étudier les interactions entre les quasi-particules telles que les excitons, les phonons et autres dans les matériaux solides, ces résultats représentent un progrès important.
"Notre approche fournit une plateforme intrigante pour étudier et concevoir de nouveaux états de la matière tels que les trions (deux électrons et un trou ou vice versa) et des particules plus complexes à dimensionnalité hybride", explique le co-auteur Peizhe Tang, professeur à l'université Beihang et chercheur invité au MPSD. Son coauteur Lukas Windgätter, doctorant dans le groupe Théorie de l'Institut, ajoute : "Pour moi, la façon dont on peut contrôler les interactions des particules par le biais de l'ingénierie des solides est intrigante. En particulier, le fait de pouvoir créer des particules composites à dimensionnalité hybride ouvre la voie à l'étude d'une nouvelle physique."
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Publication originale
L. Zhou, J. Huang, L. Windgaetter, C. S. Ong, X. Zhao, C. Zhang, M. Tang, Z. Li, C. Qiu, S. Latini, Y. Lu, D. Wu, H. Gou, A. T. S. Wee, H. Hosono, S. G. Louie, P. Tang, A. Rubio and H. Yuan; Unconventional excitonic states with phonon sidebands in layered silicon diphosphide; Nature Materials (2022)
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