Naš kolega Dino Novko, u suradnji sa znanstvenicima iz Kine i Singapura, objavio je rad u časopisu Physical Review Letters, u kojem predlažu novi i nekonvencionalni termofotonski efekt u materijalu s valom gustoće naboja TiSe₂. Ovo otkriće donosi napredak u razumijevanju elektronskih uređenih stanja te je prvo koje uvodi značajnu studiju CDW-a i njegove sofisticirane veze s termalnom fotonikom.

Unconventional Thermophotonic Charge Density Wave

Cheng-Long Zhou, Zahra Torbatian, Shui-Hua Yang, Yong Zhang, Hong-Liang Yi, Mauro Antezza, Dino Novko, and Cheng-Wei Qiu, Phys. Rev. Lett. 133, 066902 (2024).

DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.066902

Posljednjih godina svjedočimo brzom razvoju u razumijevanju fizike elektronskih stanja kooperativnog vala gustoće naboja (eng. CDW), pružajući zanimljivu platformu za otkrivanje nekonvencionalnih fizikalnih fenomena, kao što su visokotemperaturna supravodljivst, abnormalno ponašanje fermiona, topološka kvantna stanja i tako dalje. Ova zanimljiva stanja elektronskog uređenja čine kamen temeljac za razne elektroničke i spintroničke uređaje, kao što su ultrabrzi integrirani prekidači, uređaju za pohranu memorije i termoelektrični uređaji.

Unatoč ovim preliminarnim otkrićima, izravno određivanje i razumijevanje strukturnih  promjena te modifikacija Fermi plohe i dalje ostaje izazov, zbog raznih ograničenja izravne mikroskopske vizualizacije elektronske strukture. Vrijedno je razmotriti činjenicu da termo-foton, kao svojstvo koje se lako detektira, sadrži bogate fizičke informacije, potencijalno služeći kao sredstvo za identifikaciju karakteristika elektroničke strukture i nude dragocjene uvide u ta elektronska uređena stanja. Međutim, s obzirom na trenutno stanje u literaturi, ostaje nejasno postoji li korelacija između toplinske fotonike i uređenih stanja elektrona.

Kako bismo odgovorili na gore opisane izazove, u ovom radu uspostavljamo vezu između ova dva brzo rastuća područja istraživanja fizike (CDW i termofotonika) i predstavljamo novu metodu za proučavanje osnovnog stanja elektronskog reda.

Polazeći od ab initio metode, kombiniramo fluktuacijsku elektrodinamiku kako bismo izveli eksplicitne analitičke izraze koji povezuju osnovno stanje elektronskog reda i termofotoniku. Ovaj pristup točno odražava sve detalje termofotonskog otiska koji odgovara modifikacijama Fermijeve površine induciranih CDW-om. Naša teorija je primjenjiva i na druga uređena stanja, što se može proširiti na proučavanje drugih kvantnih faza u dvije dimenzije, kao što su Mott izolatori i Wignerova kristalna stanja.

Naši rezultati pokazuju da tijekom prijelaza CDW fotonski prijenos energije stvara značajnu negativnu temperaturnu ovisnost, tj. H~T^-n, kršeći Stefan-Boltzmannovo predviđanje H~T³. Ova negativna ovisnost o temperaturi je vrlo netrivijalna i sugerira blisku vezu između CDW reda i toplinske fotonike. Nadalje pokazujemo da netrivijalni potpis prirodno potječe od potiskivanja međuvrpčanih ekscitacija povezanih s anihilacijom CDW energetskog procjepa. Naši rezultati su prvi koji otkrivaju termofotonski otisak CDW modifikacija Fermijeve plohe, predlažući termofotonski-CDW (tp-CDW) prijelaz.

Slika 1 (a) Sheme strukture i disperzije elektrona prije (nakon) CDW prijelaza, uključujući CDW-inducirane međuvrpčane elektronske ekscitacije. (b) Sheme termofotonskog CDW prijelaza za CDW (gore) i standardne jedinične ćelije (dolje). Toplinski fotoni se prenose između dva materijala koja nose CDW s vakuumskim razmakom d. (c) Izračunati koeficijent prijenosa energije H jednoslojnog TiSe₂ za različite vakuumske raspone kao funkcija T. (d) Eksponent temperaturne snage kao funkcija temperature za TiSe₂ koji nosi CDW i druge reprezentativne plazmonske materijale (kao što su grafen, Si i Weylov polumetal Co₃Sn₂S₂) za d = 50 nm. Pozitivan eksponent znači da termofotonski intenzitet raste s temperaturom, dok negativni eksponent znači suprotno. Crna isprekidana linija predstavlja Stephen-Boltzmannov zakon crnog tijela (H_bb = 4σT).

Ovaj tp-CDW prijelaz također se može primjeniti na nelinearne toplinske uređaje uključujući uređaj s negativnom diferencijalnom toplinskom vodljivošću, regulator temperature i toplinske diode, a svi navedeni imaju koristi od takvog dizajna koji je okarakteriziran negativnom ovisnošću o temperaturi tp-CDW prijelaza. Ono što je važno, otkrili smo da zahvaljujući faznom prijelazu drugog reda, tp-CDW prijelaz može istaknuti širi raspon temperaturne manipulacije, čime se osigurava jači toplinski radni kapacitet i veća sloboda dizajna za termalne uređaje.