Nueva clase de excitones con dimensionalidad híbrida en el difosfuro de silicio estratificado

Investigadores de las Universidades de Nanjing y Beihang (China) y del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) de Hamburgo (Alemania) han producido una nueva clase de excitones con dimensionalidad híbrida mediante la ingeniería de las propiedades del difosfuro de silicio en capas (SiP₂). Su trabajo se ha publicado en Nature Materials.

Los excitones son partículas unidas que constan de un electrón con carga negativa y un agujero electrónico con carga positiva
. Su exótico comportamiento ofrece una nueva e importante plataforma para estudiar la
física de los materiales cuando se acoplan a otros estados de la materia, como las vibraciones de la red cristalina del material.

Con el SiP₂, unos investigadores chinos fabricaron un nuevo tipo de material cuyas capas 2D están unidas por fuerzas de Van der Waals y presentan fuertes interacciones covalentes internas. Esto produce unas peculiares cadenas de fósforo unidimensionales a lo largo de las cuales pueden localizarse estados electrónicos. El equipo consiguió entonces diseñar un nuevo tipo de excitón con dimensionalidad híbrida en este material de capas, lo que significa que el electrón tiene un carácter 1D y el agujero muestra características 2D. Es la primera vez que se observa este fenómeno. Los teóricos del MPSD confirmaron los hallazgos con simulaciones avanzadas.

Al exponer el material a la luz láser, los experimentadores pudieron crear y posteriormente sondear estos estados exitónicos, que aparecen como picos en los espectros medidos. En particular, la aparición de un peculiar pico lateral al pico excitónico principal en los espectros muestra una firma distintiva de los excitones de dimensionalidad híbrida: Debido a su fuerte dependencia de la estructura interna del material, se espera que los excitones recién creados interactúen fuertemente con otras excitaciones del material, como las vibraciones de la red que alteran las cadenas de fósforo en el SiP₂.

El grupo de teoría del MPSD confirmó posteriormente estos hallazgos mediante un extenso análisis en
, utilizando los métodos más avanzados para investigar las partículas excitónicas. Sus simulaciones muestran que la partícula está formada por un agujero con carga positiva de carácter 2D y un electrón con carga negativa que se localiza a lo largo de las cadenas de fósforo unidimensionales, dando lugar a excitones con dimensionalidad mixta.

Los teóricos demostraron que dicho excitón interactúa fuertemente con las vibraciones de la red, lo que genera la característica de pico lateral medida experimentalmente. Hasta ahora, esta característica sólo se había medido en materiales de baja dimensión, como los nanotubos de grafeno o las monocapas de dicalcogenuros de metales de transición, pero no en un material a granel como el SiP₂.

Esta colaboración ha demostrado la existencia de bandas laterales de excitones y fonones en un cristal 3D a granel, así como de estados excitónicos con dimensionalidad híbrida. Los científicos buscan nuevas formas de controlar e investigar las interacciones entre cuasipartículas como excitones, fonones y otras en materiales sólidos, por lo que estos hallazgos representan un importante avance.

"Nuestro enfoque proporciona una plataforma interesante para estudiar y diseñar nuevos estados de la materia, como los triones (dos electrones y un agujero o viceversa) y partículas más complejas con dimensionalidad híbrida", afirma el coautor Peizhe Tang, profesor de la Universidad de Beihang y científico visitante en el MPSD. El coautor Lukas Windgätter, estudiante de doctorado en el grupo de Teoría del Instituto, añade: "Para mí es intrigante cómo se pueden controlar las interacciones de las partículas mediante la ingeniería de los sólidos. Especialmente, poder crear partículas compuestas con dimensionalidad híbrida abre vías para investigar nueva física".