Primero, los investigadores obtienen imágenes de la estructura completa de los excitones atrapados.

Newswise – Los investigadores anunciaron hoy que han captado imágenes del electrón y el agujero del excitón para producir la primera imagen completa de este escurridizo cuasipartícula, y mostró cómo los excitones pueden quedar atrapados en redes densas y estables. Los hallazgos, dijeron, tienen implicaciones importantes para el desarrollo de varias tecnologías futuras y la búsqueda para comprender mejor los excitones.

El estudio fue realizado por investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) en Japón, quienes publicó los resultados hoy en Naturaleza.

“Cuando la luz interactúa con la materia, ya sea absorbiendo luz en dispositivos fotovoltaicos para generar energía solar o creando luz a partir de electricidad en LED, los excitones pueden desempeñar un papel importante”, dijo SLAC y el profesor de Stanford Tony Heinz, quien dirigió una de las tres búsquedas. grupos que colaboraron en el estudio.

«Tanto para la comprensión fundamental como para el desarrollo de nuevas tecnologías, como los emisores de un solo fotón para la ciencia de la información cuántica, necesitamos una imagen completa de la naturaleza y las propiedades de los excitones».

Otra aplicación potencial es el almacenamiento de información, dijo el científico de SLAC Ouri Karni: «Los excitones absorben y emiten luz, y podrían usarse para almacenar información si están confinados en un lugar que no puede albergar solo un excitón a la vez. Esto requiere que todos sean similares entre sí y estén muy bien confinados, por lo que es importante atraparlos.

Los excitones se crean cuando la luz golpea una película delgada de material semiconductor. Esto expulsa a los electrones de su lugar habitual en los átomos, dejando espacios llamados «agujeros» que se mueven a través del material, al igual que lo hacen los electrones. Cuando un electrón y un hueco forman un enlace breve, nace un excitón. El electrón y el hueco giran uno alrededor del otro como un par de bailarines tomados de la mano, y así viajan hasta que el electrón vuelve a caer en el hueco.

Sin embargo, la corta vida útil del excitón, tan solo una milmillonésima de segundo, ha frenado el progreso de la investigación sobre ellos. Cuanto más tiempo permanezcan juntos los excitones, más podrán aprender los científicos de ellos y más útiles podrán ser.

Mira dentro de un excitón

Hasta hace poco, la forma más común de estudiar los excitones era ver cómo absorben, emiten o reflejan la luz, dijo Keshav Dani, profesor asociado de OIST que dirige el instituto. Unidad de espectroscopia de femtosegundos. Pero este enfoque tiene importantes limitaciones. Por un lado, algunos excitones son «oscuros» en el sentido de que no interactúan con la luz, por lo que no se pueden estudiar de esa manera.

Hace aproximadamente una docena de años, Dani comenzó a desarrollar y refinar una técnica existente llamada tr-ARPES (espectroscopía de fotoemisión resuelta en el tiempo y resuelta en ángulo) para examinar los excitones y otros fenómenos cuánticos de nuevas maneras.

«Con el instrumento que desarrollamos», dijo, «podríamos mirar dentro del excitón y observar la distribución de electrones y huecos».

Cuando el instrumento estuvo listo para funcionar en 2019, lo primero que hizo su banda con él fue visualizar y medir excitones negros. También pudieron determinar el equilibrio y la interacción entre los excitones oscuros y brillantes en una película atómicamente delgada de material semiconductor.

Casi al mismo tiempo, Dani comenzó a colaborar con Heinz y con el profesor asistente de Stanford Felipe da Jornada, cuyos grupos de investigación también habían estudiado excitones.

El año pasado, el equipo combinado anunció que había obtenido La primera foto que muestra cómo se distribuye el electrón en relación con el hueco en un excitón. «Es como averiguar qué tan separados están los bailarines, qué tan lejos se estiran sus brazos mientras giran, pero no te dice dónde están en la pista de baile», dijo Karni. «Para eso, también necesitas visualizar el agujero».

Construye una trampa de excitones

En este último estudio, el equipo observó los excitones que se forman en la interfaz donde se encuentran películas atómicamente delgadas de dos semiconductores diferentes. Esta es una frontera apasionante porque estos excitones pueden persistir de mil a un millón de veces más que los de una sola capa.

Primero midieron el tamaño del agujero del excitón por primera vez, un verdadero desafío porque el agujero es la ausencia de un electrón, no una partícula real, y no emite ninguna señal propia. Los investigadores pudieron identificar los agujeros por los espacios distintivos que dejaron en los datos experimentales.

«Nos permitió obtener una imagen mucho más completa tanto del movimiento del electrón alrededor del agujero como del movimiento de todo el excitón», dijo Elyse Barré, quien era estudiante de posgrado en el Grupo Heinz en el momento del estudio.

Luego se dispusieron a atrapar los excitones superponiendo películas delgadas de dos semiconductores diferentes en un ligero ángulo entre sí para crear un muaré patrón de escala atómica. (Puede hacer una versión a gran escala de esto usted mismo colocando una pantalla de ventana encima de otra en un ligero ángulo). Cada agujero en el patrón muaré es una especie de sumidero de energía que puede atraer y retener un solo excitón, y los materiales han sido diseñados para que los sumideros sean tan grandes como los excitones, o incluso un poco más pequeños.

Cuando examinaron las estructuras muaré con tr-ARPES para ver si los excitones encajaban en ellas y cómo, descubrieron que cada excitón encajaba cómodamente en su hueco, como una pelota de golf en un tee. Esto fue inesperado pero fortuito: se pensó que se necesitarían pozos más grandes para capturar excitones, pero se prefieren pozos más pequeños porque son mucho más estables y forman conjuntos más uniformes.

Con esta nueva capacidad para obtener imágenes integrales de partículas compuestas como los excitones, los colaboradores dicen que pueden avanzar para explorar arreglos más complejos de electrones y huecos que arrojarán luz sobre la naturaleza de las interacciones de muchas partículas en 2D y en otros. materiales cuánticos.

“Nuestros colegas de OIST han desarrollado capacidades de medición muy especiales”, dijo Barré, “y tenemos la suerte de haber podido colaborar con ellos”.

El científico de OIST Michael Man, el estudiante graduado Vivek Pareek y el investigador postdoctoral Chakradhar Sahoo y el estudiante graduado de Stanford Johnathan Geogaras también desempeñaron papeles clave en este trabajo. Los materiales fueron proporcionados por la Universidad de Columbia y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón. La parte SLAC de la investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE, incluida la teoría y el estudio computacional a través del Centro para el Estudio Computacional de Fenómenos de Estado Excitado en Materiales Energéticos (C2SEPEM) del DOE. El trabajo en OIST fue apoyado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa, la Universidad de Graduados y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.