எக்ஸிடான்களின் உயர் வெப்பநிலையில் போஸ்-ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்கத்தை கணித்தல்

இரு பரிமாண (2D) குறைகடத்தி பொருட்களில் உள்ள கரிம மூலக்கூறுகளை உள்ளடக்கிய அமைப்புகளில் ஒப்பீட்டளவில் அதிக வெப்பநிலையில் (சுமார் 50 K முதல் 100 K வரை) போஸ்-ஐன்ஸ்டீன் மின்தேக்கி எனப்படும் ஒரு பொருளின் நிலை இருக்கும் என்று சிங்கப்பூர் தேசிய பல்கலைக்கழக ஆராய்ச்சியாளர்கள் கணித்துள்ளனர்.

ஒரு போஸ்-ஐன்ஸ்டீன் மின்தேக்கி என்பது அனைத்து துகள்களும் ஒரே ஆற்றலைக் கொண்டிருக்கும் மற்றும் முழுமையாக ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட பொருளின் நிலை  ஆகும். இயற்பியல் கண்ணோட்டத்தில், இந்த துகள்கள் ஒன்றுடன் ஒன்று சேர்ந்து, அவை ஒரு பெரிய துகள் போல செயல்படத் தொடங்குகின்றன. 2001 ஆம் ஆண்டு இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசு போஸ்-ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்கத்தை உணர்ந்ததற்காக வழங்கப்பட்டது. 20 nK- இன் மிகக் குறைந்த வெப்பநிலையில் ரூபிடியம் அணுக்களின் தொகுப்பில் இந்த அற்புதமான முன்னேற்றம் முதலில் அடையப்பட்டது. பொருளின் நிலையின் இந்த கட்டுப்பாடு தொழில்நுட்ப முன்னேற்றங்களுக்கு வழிவகுக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, மேலும் மிதமிஞ்சிய திரவத்தை உணரவும் உதவுகிறது.

இந்த வேலையில், சிங்கப்பூர் தேசிய பல்கலைக்கழகத்தின் இயற்பியல் துறையைச் சேர்ந்த பேராசிரியர் க்யூக் சூ யிங் மற்றும் அவரது முதுநிலைப் பட்டதாரி டாக்டர் உல்மான் காஞ்சன் ஆகியோர் போஸ்-ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்கம் (BEC) கரிமத்தில் சுமார் 50 K முதல் 100 K வரை நடைபெறும் என்று கணித்துள்ளனர். இந்த BEC வெப்பநிலையானது முன்பு அணுக்களைப் பயன்படுத்தி அடைந்ததை விட அதிக அளவு ஆர்டர்கள் ஆகும். கரிம-2D பொருள் அமைப்புகளில் ஒடுங்கும் துகள்கள் பிணைக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான்-துளை ஜோடிகள் (எக்ஸிடான்கள்) அவை ஒளியுடன் கதிர்வீச்சு மூலம் கணினியில் தூண்டப்படுகின்றன. எலக்ட்ரான் 2D குறைக்கடத்தியில் (மாலிப்டினம் டிசல்பைடு, MoS₂) மற்றும் கரிம மூலக்கூறின் துளையில் (துத்தநாக பித்தலோசயனைன், ZnPc) உள்ளது.  இது “சார்ஜ் டிரான்ஸ்ஃபர் எக்ஸிடான்” என்று அழைக்கப்படுகிறது. எலக்ட்ரானுக்கும் துளைக்கும் இடையே உள்ள இடப் பிரிப்பு, இந்த குறைந்த பரிமாணப் பொருட்களில் உள்ள எக்ஸிடான்களின் வலுவாக பிணைக்கப்பட்ட இயல்புடன், நீண்ட எக்ஸிடான் வாழ்நாளில் விளைகிறது, இது BEC நடைபெறுவதற்கு முக்கியமானதாகும். முக்கியமாக, கணிக்கப்பட்ட BEC வெப்பநிலை அணுக்களை விட அதிகமாக உள்ளது. ஏனென்றால், BEC வெப்பநிலையானது துகள் நிறைக்கு நேர்மாறான விகிதத்தில் உள்ளது, மேலும் எக்ஸிடான் நிறை வழக்கமான அணு நிறைகளை விட மிகச் சிறியது.

இந்த கணிப்புக்கு முன், BEC இன் சார்ஜ் டிரான்ஸ்ஃபர் எக்ஸிடான்கள் 2D பொருட்களின் பிலேயர்களில் சுமார் 100 K இல் காணப்பட்டது. எவ்வாறாயினும், இந்த அமைப்புகளில் BEC ஐ உணர்ந்து கொள்வதில் உள்ள ஒரு நடைமுறை சிரமம், இரண்டு அடுக்கு பொருட்களை கவனமாக சீரமைக்க வேண்டிய அவசியம். தவறாகச் சீரமைக்கப்பட்ட இரு அடுக்குகள் பெரிய உந்தத்துடன் எக்ஸிடான்களை வழங்குகின்றன.  இது மின்தேக்கி உருவாவதைத் தடுக்கிறது. ஆர்கானிக்-2டி பொருள் அமைப்புகளில், மூலக்கூறு நிலைகளின் குறுகிய அலைவரிசையானது, சார்ஜ் டிரான்ஸ்ஃபர் எக்ஸிடான்கள் மிகச் சிறிய வேகத்தைக் கொண்டிருப்பதைக் குறிக்கிறது, இதனால் BEC உருவாக்கத்திற்கு சாதகமாக உள்ளது.

பேராசிரியர் க்யூக் கூறுவதாவது, “2D பொருட்களில் வரிசைப்படுத்தப்பட்ட, சுய-அசெம்பிள் செய்யப்பட்ட மோனோலேயர்களை ட்ரான்ஸிஷன் மெட்டல் பித்தலோசனைன்கள் போன்ற கரிம மூலக்கூறுகள் உடனடியாக உருவாக்குகின்றன. ஆர்கானிக்-2டி பொருள் அமைப்புகளில் அதிக வெப்பநிலை BEC எக்ஸிடான்களின் கணிப்பு இந்த அயல்நாட்டு நிலையின் நடைமுறை உணர்தல்களுக்கு வழிவகுக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது. பொருளின், மற்றும் போஸ்-ஐன்ஸ்டீன் மின்தேக்கிகள் தொடர்பான புதிரான பயன்பாடுகளின் ஆய்வுக்கு வழி வகுக்கிறது.”

References:

• Ulman, K., & Quek, S. Y. (2021). Organic-2D Material Heterostructures: A Promising Platform for Exciton Condensation and Multiplication. Nano Letters, 21(20), 8888-8894.
• Wang, D., Luo, N., Duan, W., & Zou, X. (2021). High-Temperature Excitonic Bose–Einstein Condensate in Centrosymmetric Two-Dimensional Semiconductors. The Journal of Physical Chemistry Letters, 12, 5479-5485.
• Kavoulakis, G. M., & Mysyrowicz, A. (2000). Auger decay, spin exchange, and their connection to Bose-Einstein condensation of excitons in Cu 2 O. Physical Review B, 61(24), 16619.
• Snoke, D. W., Wolfe, J. P., & Mysyrowicz, A. (1990). Evidence for Bose-Einstein condensation of excitons in Cu 2 O. Physical Review B, 41(16), 11171.
• Kaneko, T., Toriyama, T., Konishi, T., & Ohta, Y. (2013). Orthorhombic-to-monoclinic phase transition of Ta 2 NiSe 5 induced by the Bose-Einstein condensation of excitons. Physical Review B, 87(3), 035121.