Fisici vind bewyse vir magneties-gebonde eksitone

Excitons is 'n belangrike deel van baie tegnologieë, insluitend sonpanele, fotodetektors en sensors, sowel as liguitstralende diodes wat in televisies en digitale vertoonskerms voorkom. In die meeste gevalle word die opwekkingspare gebind deur elektriese, of elektrostatiese, kragte, ook bekend as Coulomb-interaksies. Nou, in 'n nuwe studie in Nature Physics, rapporteer Caltech-navorsers dat hulle excitons bespeur wat nie deur Coulomb-kragte gebind word nie, maar eerder deur magnetisme. Dit is die eerste eksperiment om op te spoor hoe hierdie sogenaamde Hubbard-opwekkings, vernoem na die oorlede fisikus John Hubbard, intyds vorm.

"Deur 'n gevorderde spektroskopiese sonde te gebruik, kon ons intyds die opwekking en verval van magneties-gebonde opwekkings, die Hubbard-eksitone, waarneem," sê studiehoofskrywer Omar Mehio (PhD '23), 'n onlangse gegradueerde student by Caltech wat saam met David Hsieh, die Donald A. Glaser Professor in Fisika by Caltech. Mehio is nou 'n nadoktorale genoot by die Kavli-instituut by Cornell.

"In die meeste isolators tree teenoorgestelde gelaaide elektrone en gate met mekaar in wisselwerking net soos 'n elektron en 'n proton bind om 'n waterstofatoom te vorm," verduidelik Mehio. "In 'n spesiale klas materiale bekend as Mott-isolators, bind die foto-opgewonde elektrone en gate egter deur magnetiese interaksies."

Die resultate kan toepassings hê in die ontwikkeling van nuwe exciton-verwante tegnologieë, of excitonics, waarin die excitons deur hul magnetiese eienskappe gemanipuleer sal word. "Hubbard-eksitone en hul magnetiese bindingsmeganisme demonstreer 'n drastiese afwyking van die paradigmas van tradisionele eksitoniese, wat die geleentheid skep om 'n hele ekosisteem van nuwe tegnologieë te ontwikkel wat fundamenteel nie in konvensionele eksitoniese stelsels beskikbaar is nie," sê Mehio. "Om excitons en magnetisme sterk verweef in 'n enkele materiaal te hê, kan lei tot nuwe tegnologieë wat beide eienskappe benut."

Om die Hubbard-eksitons te skep, het die navorsers lig toegepas op 'n tipe isolerende materiaal wat bekend staan ​​as 'n antiferromagnetiese Mott-isolator. Dit is magnetiese materiale waarin die elektronspin in 'n herhalende, stabiele patroon in lyn is. Die lig prikkel die elektrone, wat na ander atome spring, wat gate agterlaat.

"In hierdie materiale, wanneer 'n elektron of gat deur die rooster beweeg, laat hulle 'n string magnetiese opwekkings in hul nasleep," sê Mehio. "Stel jou voor jy bind die een punt van 'n elastiese tou om jou vriend, en die ander kant om jouself. As jou vriend van jou af weghardloop, sal jy voel hoe die tou jou in daardie rigting trek en jy sal begin volg. Hierdie scenario is analoog aan wat gebeur tussen 'n foto-opgewonde elektron en die gat wat dit in 'n Mott-isolator agterlaat. Met Hubbard-eksitone dien die string magnetiese opwekkings tussen die paar dieselfde rol as die tou wat jou met jou vriend verbind."

Om die bestaan ​​van die Hubbard-eksitone te demonstreer, het die navorsers 'n metode genaamd ultravinnige tyddomein-terahertz-spektroskopie gebruik, wat hulle in staat gestel het om die baie kortstondige handtekeninge van die opwekkings op baie lae-energie-skale te soek. "Excitons is onstabiel omdat die elektrone wil teruggaan in die gate," verduidelik Hsieh. "Ons het 'n manier om die kort tydvenster te ondersoek voordat hierdie herkombinasie plaasvind, en dit het ons in staat gestel om te sien dat 'n vloeistof van Hubbard-eksitone kortstondig gestabiliseer word."

bron: California Institute of Technology. "Physicists find evidence for magnetically bound excitons." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 October 2023. <www.sciencedaily.com/releases/2023/10/231005135610.htm>.