Het voorspellen van Bose-Einstein-condensatie van excitonen bij hoge temperatuur

Excitonen voor ladingsoverdracht in organische-2D-heterostructuur: Schematische figuur die excitonen voor ladingsoverdracht in de ZnPc-MoS2 organische-2D-heterostructuur toont. De laagste energieoverdrachtsexcitonen in ZnPc/MoS₂ heterostructuur zal naar verwachting Bose-Einstein-condensatie ondergaan bij ongeveer 50 K tot 100 K. Credit: National University of Singapore

Onderzoekers van de National University of Singapore hebben voorspeld dat een exotische toestand van materie, bekend als een Bose-Einstein-condensaat, kan bestaan ​​bij relatief hoge temperaturen (ongeveer 50 K tot 100 K) in systemen die organische moleculen op tweedimensionale (2D) halfgeleidende materialen bevatten.

Een Bose-Einstein-condensaat is een toestand van materie waarin alle deeltjes dezelfde energie hebben en volledig op elkaar zijn afgestemd. Vanuit fysiek oogpunt klonteren deze deeltjes samen en beginnen ze zich te gedragen alsof ze deel uitmaken van een enkel groter deeltje. De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2001 werd toegekend voor de realisatie van Bose-Einstein-condensatie. Deze fenomenale doorbraak werd voor het eerst bereikt in een verzameling rubidium-atomen bij een ultralage temperatuur van 20 nK. Deze beheersing van de toestand van de materie zal naar verwachting leiden tot technologische doorbraken en tevens de realisatie van superfluïditeit mogelijk maken.

In dit werk voorspelden prof. Quek Su Ying van de afdeling Natuurkunde, National University of Singapore, en haar postdoctorale fellow, Dr. Ulman Kanchan, dat Bose-Einstein-condensatie (BEC) kan plaatsvinden bij ongeveer 50 K tot 100 K in organische 2D-materiaalsystemen (zie figuur) door hun berekening. Deze BEC-temperatuur is orden van grootte hoger dan voorheen bereikt met behulp van atomen. De deeltjes die condenseren in de organische-2D materiaalsystemen zijn gebonden elektron-gatparen (excitonen) die door bestraling met licht in het systeem worden geïnduceerd. Het elektron bevindt zich in de 2D-halfgeleider (molybdeendisulfide, MoS₂) en het gat in het organische molecuul (zinkftalocyanine, ZnPc), in wat een “ladingsoverdracht-exciton” wordt genoemd. De ruimtelijke scheiding tussen het elektron en het gat, samen met de sterk gebonden aard van de excitonen in deze laagdimensionale materialen, resulteert in een lange levensduur van de excitonen, die van cruciaal belang zijn voor het plaatsvinden van BEC. Cruciaal is dat de voorspelde BEC-temperatuur veel hoger is dan die in atomen. Dit komt omdat de BEC-temperatuur omgekeerd evenredig is met de deeltjesmassa en de excitonmassa veel kleiner is dan de typische atoommassa’s.

Voorafgaand aan deze voorspelling werd BEC van excitonen voor ladingsoverdracht waargenomen bij ongeveer 100 K in dubbellagen van 2D-materialen. Een praktische moeilijkheid bij de realisatie van BEC in deze systemen was echter de noodzaak van een zorgvuldige uitlijning van de twee materiaallagen. Verkeerd uitgelijnde dubbellagen hosten excitonen met een groot momentum, die de vorming van het condensaat belemmeren. In het geval van organische-2D-materiaalsystemen impliceren de smalle bandbreedte van de moleculaire toestanden dat de excitonen voor ladingsoverdracht een zeer klein momentum hebben, waardoor BEC-vorming wordt bevorderd.

Prof Quek zei: “Organische moleculen zoals overgangsmetaal-ftalocyanines vormen gemakkelijk geordende, zelf-geassembleerde monolagen op 2D-materialen. De voorspelling van hoge temperatuur BEC van excitonen in organische-2D-materiaalsystemen zal naar verwachting leiden tot meer praktische realisaties van deze exotische toestand van materie, en maakt de weg vrij voor de studie van intrigerende toepassingen met betrekking tot Bose-Einstein-condensaten.”