Экситонная жидкость Хаббарда в фотолегированном антиферромагнитном изоляторе Мотта
Группа ученых под руководством доктора Дэвида Се из Калифорнийского технологического института обнаружила доказательства наличия стабильных экситонов Хаббарда в фотолегированном антиферромагнитном изоляторе Мотта. Результаты их исследования опубликованы в журнале Nature Physics. Уже давно предполагалось, что экситон Хаббарда, новая квазичастица, может появиться в изоляторах Мотта. Но могут ли они существовать как стабильные квазичастицы в реальных материалах, остается открытым вопросом. Теперь у учёных есть экспериментальные данные, позволяющие предположить, что ответ — да.
Экситон Хаббарда в представлении художника.
Фото: Физика природы (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02187-0
В мире физики конденсированного состояния лежит захватывающее явление, которое уже давно является предметом интереса, — экситоны.
Экситоны, обычно встречающиеся в полупроводниковых материалах, представляют собой составные частицы (или квазичастицы), которые возникают, когда электрон и дырка (в отсутствие электрона) взаимодействуют посредством электростатических сил.
Экситоны, подобные протону и электрону в атоме водорода, существуют недолговечно и хорошо изучены. Однако их поведение меняется, когда мы вступаем в сферу изоляторов Мотта, материалов, которые бросают вызов общепринятым правилам, управляющим поведением электронов в обычных полупроводниках.
Уже давно предполагалось, что экситон Хаббарда, новая квазичастица, может появиться в изоляторах Мотта. Но могут ли они существовать как стабильные квазичастицы в реальных материалах, остается открытым вопросом. Теперь у учёных есть экспериментальные данные, позволяющие предположить, что ответ — да.
Объясняя мотивацию своей команды к изучению этих систем, доктор Се рассказал Phys.org: «Наша исследовательская группа обычно интересуется материалами, которые содержат сильно взаимодействующие электроны, особенно в условиях, далеких от равновесия».
Изоляторы Мотта, заряды и антиферромагнетизм
Собственные свойства изоляторов Мотта ответственны за отличие экситона Хаббарда от обычных экситонов в полупроводниках.
В отличие от полупроводников, в которых электроны делокализованы, изоляторы Мотта загоняют электроны в определенные узлы решетки из-за сильных кулоновских взаимодействий. Эта локализация создает отчетливую запрещенную зону, в отличие от традиционных полупроводников, где электроны движутся более свободно.
Доктор Се объяснил: «В этом состоянии спинам электронов выгодно располагаться в попеременной ориентации от одного места к другому, что приводит к образованию структуры, получившей название антиферромагнитного порядка.
«Эта антиферромагнитная среда создает возможность реализации экситона Хаббарда».
Антиферромагнитные взаимодействия — это, по сути, магнитные взаимодействия, при которых спины соседних электронов выравниваются в противоположных направлениях, что приводит к уникальному магнитному порядку внутри материала.
Понять и обнаружить экситоны Хаббарда сложнее, чем обычные экситоны в полупроводниках. Это связано со сложным взаимодействием электронных взаимодействий, антиферромагнитным порядком материала и короткоживущей природой этих экситонов.
Доктор Се пояснил: «Экспериментально их трудно обнаружить с помощью традиционных спектроскопических методов, которые использовались для обычных полупроводниковых экситонов. Именно поэтому мы применили стробоскопический метод, чтобы зафиксировать образование экситонов в режиме реального времени».
Ищем отпечатки пальцев
Экспериментальная установка группы под руководством бывшего аспиранта Омара Мехио зависела от выбора изоляционного материала Мотта и метода спектроскопии.
Выбор правильного материала имел первостепенное значение, и команда выбрала Sr2IrO4, антиферромагнитный изолятор Мотта, известный своими сложными электронными взаимодействиями.
Для спектроскопических измерений команда выбрала терагерцовое излучение — низкочастотные волны, идеально подходящие для исследования внутренней структуры экситонов.
Команда начала с использования инфракрасного лазерного импульса для возбуждения носителей заряда в запрещенной зоне. Затем терагерцовый спектрометр позволил им зафиксировать переходный отклик Sr2IrO4 в режиме реального времени, чтобы обнаружить спектры или отличительные отпечатки экситона Хаббарда.
Первоначально этот материал, обычно ведущий себя как изолятор, как и ожидалось, перешел в состояние, подобное проводнику, учитывая генерацию свободных электронов и дырок.
Но вместо того, чтобы просто вернуться в исходное изолирующее состояние, материал быстро перешел в изолирующее состояние другого типа, спектр которого больше похож на спектр атома. Однако, в отличие от спектров водорода, расстояние между энергетическими уровнями составляет всего несколько миллиэлектронвольт, как и ожидалось для экситонной жидкости Хаббарда.
Эти результаты, подкрепленные передовым компьютерным моделированием, выполненным доктором Залой Ленарчичем в Институте Йозефа Стефана, предоставили убедительные доказательства существования экситонной жидкости Хаббарда внутри Sr2IrO4.
Однако эксперимент не обошелся без проблем. Доктор Се выделил некоторые из них, сказав: «Мы столкнулись с несколькими препятствиями, включая выращивание больших высококачественных кристаллов для работы с терагерцовым лучом (с любезного разрешения доктора Стивена Уилсона из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре) и адаптацию к геометрии отражения для преодоления эффектов поглощения материала.
«Кроме того, сигнал экситона Хаббарда довольно слабый. Поэтому в наших измерениях нам пришлось подавлять источники шума, такие как колебания температуры в лаборатории».
Что дальше?
Характеристика экситонов Хаббарда в сильно коррелированных изоляторах, как продемонстрировали доктор Се и его команда, открывает область захватывающих возможностей как для фундаментального понимания, так и для практического применения.
«Трудно предсказать потенциальные технологические применения», — сказал доктор Се, — «Можно представить себе новые функциональные возможности, в которых экситонные свойства можно будет настраивать с помощью магнитных степеней свободы или где экситонные свойства (для оптических приложений) и магнитные свойства (для хранения информации) могут быть использованы в одном материале».
Будущие исследования могут углубиться в фундаментальные вопросы об экситонах Хаббарда, такие как механизмы их связывания и взаимодействие с различными магнитными состояниями.
Доктор Се и его команда еще не закончили работу с экситонами Хаббарда. Делясь своими планами на следующие шаги, он сказал: «Остается много фундаментальных вопросов об экситонах Хаббарда, которые мы планируем исследовать, связаны антиферромагнитными взаимодействиями? Как свойства экситонов Хаббарда изменяются в зависимости от текстуры основного магнитного состояния? Какова природа взаимодействий между экситонами Хаббарда и какие новые коллективные экситонные фазы они могут генерировать?"
Путь к раскрытию всего потенциала экситонов Хаббарда только начался, и он может сулить надежду изменить наше понимание квантовых явлений.
Эдоардо Бальдини опубликовал в том же номере журнала статью «Новости и взгляды », посвященную работе команды Се.
