Presagiando el final de una búsqueda de una década, en una nueva y prometedora clase de semiconductores bidimensionales extremadamente delgados, los científicos han visualizado y medido directamente por primera vez partículas elusivas, llamadas excitones oscuros, que no pueden verse con la luz.
La técnica poderosa, descrita en una revista líder ciencia , podría revolucionar la investigación de semiconductores y excitones bidimensionales, con profundas implicaciones para los dispositivos tecnológicos futuros, desde células solares y LED hasta teléfonos inteligentes y láseres.
Los excitones son estados excitados de la materia que se encuentran dentro de los semiconductores, un ingrediente clave en muchas tecnologías actuales. Se forman cuando los electrones en el material semiconductor son excitados por la luz a un estado de mayor energía, dejando un "agujero" en el nivel de energía dondeel electrón residía previamente.
"Los agujeros son la ausencia de un electrón y, por lo tanto, llevan la carga opuesta a un electrón", explicó el autor principal, el profesor Keshav Dani, quien dirige la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST ".Estas cargas opuestas se atraen y los electrones y los huecos se unen para formar excitones que luego pueden moverse por todo el material ".
En los semiconductores normales, los excitones se extinguen en menos de unas mil millonésimas de segundo después de la creación. Además, pueden ser 'frágiles', lo que dificulta su estudio y manipulación. Pero hace aproximadamente una década, los científicos descubrieron semiconductores bidimensionales., donde los excitones son más robustos.
"Los excitones robustos dan a estos materiales propiedades realmente únicas y emocionantes, por lo que se han realizado muchos estudios intensos en todo el mundo con el objetivo de usarlos para crear nuevos dispositivos optoelectrónicos", dijo el co-primer autor, el Dr. Julien Madéo, científico de planta de la OISTUnidad de espectroscopia de femtosegundos. "Pero por el momento, existe una gran limitación con la técnica experimental estándar utilizada para medir excitones".
Actualmente, los investigadores utilizan técnicas de espectroscopia óptica, que básicamente miden qué longitudes de onda de luz son absorbidas, reflejadas o emitidas por el material semiconductor, para descubrir información sobre los estados de energía de los excitones. Pero la espectroscopia óptica solo captura una pequeña parte de la imagen..
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que solo un tipo de excitón, llamado excitones brillantes, puede interactuar con la luz. Pero también existen otros tipos de excitones, incluidos los excitones oscuros con impulso prohibido. En este tipo de excitón oscuro, los electrones tienen un impulso diferentede los agujeros a los que están unidos, lo que les impide absorber la luz. Esto también significa que los electrones en los excitones oscuros tienen un momento diferente al de los electrones en los excitones brillantes.
"Sabemos que existen, pero no podemos verlos directamente, no podemos sondearlos directamente y, por lo tanto, no sabemos qué tan importantes son o cuánto afectan las propiedades optoelectrónicas del material", dijo el Dr. Madéo.
Luz brillante sobre excitones oscuros
Para visualizar los excitones oscuros por primera vez, los científicos modificaron una técnica poderosa que anteriormente se había utilizado en gran medida para estudiar electrones individuales no unidos.
"No estaba claro cómo funcionaría esta técnica para los excitones, que son partículas compuestas a las que se unen los electrones. Hubo mucho trabajo teórico en la comunidad científica discutiendo la validez de este enfoque", dijo el profesor Dani.
Su método proponía que si se usaba un haz de luz que contenga fotones de una energía lo suficientemente alta para golpear los excitones en el material semiconductor, la energía de los fotones rompería los excitones y expulsaría los electrones del material.
Al medir la dirección en la que los electrones salen del material, los científicos podrían determinar el momento inicial de los electrones cuando eran parte de los excitones. Por lo tanto, los científicos no solo podrían ver, sino también diferenciar, los excitones brillantes de los excitones oscuros.
Pero implementar esta nueva técnica requirió resolver algunos desafíos técnicos enormes. Los científicos necesitaban generar pulsos de luz con fotones ultravioleta extremos de alta energía capaces de dividir los excitones y expulsar los electrones del material. El instrumento entonces necesitaba poderpara medir la energía y el ángulo de estos electrones. Además, dado que los excitones tienen una vida tan corta, el instrumento tuvo que trabajar en escalas de tiempo de menos de mil millonésimas de segundo. Por último, el instrumento también requirió una resolución espacial suficientemente alta para medirlas muestras de semiconductores 2D, que normalmente están disponibles solo en tamaños de escala de micrones.
"Cuando resolvimos todos los problemas técnicos y encendimos el instrumento, básicamente en nuestra pantalla estaban los excitones, fue realmente asombroso", dijo el co-primer autor, el Dr. Michael Man, también de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de OIST..
Los investigadores vieron que, como se predijo, había excitones brillantes y oscuros presentes en el material semiconductor. Pero para su sorpresa, los científicos también encontraron que los excitones oscuros dominaban el material, superando en número a los excitones brillantes. El equipo observó además que bajociertas condiciones, a medida que los electrones excitados se dispersan por todo el material y cambian de impulso, los excitones pueden cambiar entre ser brillantes u oscuros.
"El predominio de los excitones oscuros y la interacción entre los excitones oscuros y brillantes sugiere que los excitones oscuros impactan esta nueva clase de semiconductores incluso más de lo previsto", dijo el Dr. Madéo.
Esta técnica es un gran avance ", concluyó el profesor Dani." No solo proporciona la primera observación de los excitones oscuros e ilumina sus propiedades, sino que marca el comienzo de una nueva era en el estudio de los excitones y otras partículas excitadas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Original escrito por Dani Ellenby. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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