Las cuasipartículas, excitaciones que se comportan colectivamente como partículas, son fundamentales para las aplicaciones de energía, pero pueden ser difíciles de detectar. Recientemente, sin embargo, los investigadores han visto evidencia de cuasipartículas llamadas triones negativos que se forman y se desvanecen en una capa de material semiconductor que es 100,000veces más delgados que un cabello humano. Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron la espectroscopía láser ultrarrápida en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos CNMS para desmitificar la dinámica de los triones negativos. Exploraron el comportamiento de la cuasipartícula cargada en unsemiconductor bidimensional 2D que es un excelente absorbente de la luz solar. Sus ideas, publicadas en la revista Revisión física B , puede resultar importante para el avance de las tecnologías para la energía solar y la computación cuántica.
"Observamos triones negativos en una monocapa de disulfuro de tungsteno bidimensional excitada por un rayo láser", dijo el espectroscopista de láser ultrarrápido Abdelaziz Boulesbaa, quien codirigió el estudio con el teórico Bing Huang y consultó con el experto en espectroscopía láser Alex Puretzky ".El descubrimiento puede abrir nuevas oportunidades para las aplicaciones optoelectrónicas, incluida la tecnología de la información, así como la investigación fundamental en la física de los materiales de baja dimensión ".
Cuando un semiconductor absorbe luz, los electrones pueden soltarse y participar en una corriente eléctrica. Sin embargo, generalmente se forman dos cargas, una negativa un electrón y otra positiva un agujero, y están unidas entre sídurante un corto tiempo, viajando a través del cristal como una cuasipartícula llamada "excitón". Cuando un excitón se une a un electrón adicional, el complejo formado es un trión negativo, o si se une a un agujero adicional, la cuasipartícula resultante es positivatrion.
Las cuasipartículas como los excitones pueden sonar exóticas, pero juntar electrones y agujeros es la base de los diodos emisores de luz LED cotidianos. Cuando un electrón y un agujero se recombinan en un LED, se emite un fotón. Esa es la luz que vemos en las aplicacionesdesde semáforos y señalización electrónica hasta flashes de cámaras y faros de vehículos.
Mientras que los LED emiten luz, las células solares absorben la luz y convierten su energía en electricidad. Para que las células solares funcionen, los científicos intentan separar los electrones de los agujeros y recolectar esas cargas antes de que tengan la oportunidad de recombinarse. Los materiales futuros pueden hacer usode triones negativos para mejorar la recolección de carga en las células solares, según Boulesbaa.
experimento de bomba-sonda
Para aprovechar los triones negativos para mejorar las células solares y otras tecnologías optoelectrónicas, los científicos necesitan respuestas a preguntas básicas: ¿cómo se forman los triones negativos? ¿Cuánto tiempo viven? ¿Por qué se forman de manera tan eficiente en un semiconductor ultradelgado?
Para responder a estas preguntas, los científicos de ORNL necesitaban una especie de "cámara" que pudiera hacer una película en cámara superlenta para revelar la dinámica de las cuasipartículas, similar a las técnicas de cámara que los fotógrafos emplean para capturar balas veloces que destruyen manzanas: solo mil millonesveces más rápido. Un rayo láser dividido creó esa cámara.
Empleando la mitad del rayo láser, dispararon pulsos láser que duraron solo 40 femtosegundos millones de billonésimas de segundo para excitar un cristal ultradelgado de disulfuro de tungsteno. Luego, para su película súper lenta, crearon una luz estroboscópica utilizandola otra mitad del rayo láser, un destello ultrarrápido de luz blanca, y lo atravesó a través del cristal en diferentes tiempos diferidos. Al medir las longitudes de onda de energía fotónica colores que los cristales absorbían en cada momento, los científicos construyeron, cuadro por cuadro, una "película" en cámara lenta de cómo se forman y desvanecen los triones. Probablemente se saltaron las palomitas de maíz, ya que su película duró solo un nanosegundo una milmillonésima de segundo.
Su película reveló que los triones se forman solo después de que se forman pares de agujeros de electrones. Luego, los agujeros quedan atrapados, muy probablemente por el sustrato en contacto con el cristal, dejando electrones adicionales.
Estos electrones adicionales permiten que el cristal absorba otro fotón para formar un trión negativo. Debido a que los cristales ultrafinos son todos "superficiales", tienen muchas oportunidades de interactuar con el entorno y separar las cargas que se crean, lo que los convierte en un gran trióngeneradores.
Debido a que los investigadores usaron luz blanca, una mezcla de todas las frecuencias de luz en el espectro visible, su observación de la luz de diferentes colores reveló que se habían formado dos triones diferentes, que no se habían visto previamente.
A continuación, los científicos estudiarán el papel del sustrato en la definición de las propiedades ópticas y eléctricas de los materiales semiconductores 2D. Algunos sustratos atrapan electrones, dejando agujeros en exceso para transportar cargas, mientras que otros atrapan agujeros, dejando electrones en exceso para transportar cargas. Además, elLos investigadores aislarán el semiconductor 2D del sustrato mediante la introducción, en el medio, de un aislante para evitar que los agujeros y los electrones lleguen al sustrato, permitiendo que los excitones vivan más tiempo y emitan luz durante más tiempo.
El título del artículo es "Observación de dos triones negativos distintos en monocapas de disulfuro de tungsteno". Esta investigación se realizó en el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase en ORNL. Los cálculos se realizaron en el Centro Nacional de Investigación Científica de Energía en Lawrence Berkeley NationalLaboratorio. Ambas son instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Original escrito por Dawn Levy. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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