Physiker finden Hinweise auf magnetisch gebundene Exzitonen

Exzitonen sind ein wichtiger Bestandteil vieler Technologien, darunter Solarpaneele, Fotodetektoren und Sensoren sowie Leuchtdioden in Fernsehgeräten und digitalen Bildschirmen. In den meisten Fällen werden die Exzitonenpaare durch elektrische oder elektrostatische Kräfte, auch Coulomb-Wechselwirkungen genannt, gebunden. Jetzt berichten Caltech-Forscher in einer neuen Studie in Nature Physics über den Nachweis von Exzitonen, die nicht durch Coulomb-Kräfte, sondern durch Magnetismus gebunden werden. Dies ist das erste Experiment, das in Echtzeit nachweisen kann, wie sich diese sogenannten Hubbard-Exzitonen, benannt nach dem verstorbenen Physiker John Hubbard, bilden.

„Mit einer fortschrittlichen spektroskopischen Sonde konnten wir die Erzeugung und den Zerfall magnetisch gebundener Exzitonen, der Hubbard-Exzitonen, in Echtzeit beobachten“, sagt der Hauptautor der Studie, Omar Mehio (PhD '23), ein frischgebackener Doktorand am Caltech, mit dem er zusammengearbeitet hat David Hsieh, Donald A. Glaser-Professor für Physik am Caltech. Mehio ist jetzt Postdoktorand am Kavli Institute in Cornell.

„In den meisten Isolatoren interagieren entgegengesetzt geladene Elektronen und Löcher miteinander, so wie sich ein Elektron und ein Proton zu einem Wasserstoffatom verbinden“, erklärt Mehio. „In einer speziellen Klasse von Materialien, die als Mott-Isolatoren bekannt sind, binden sich die durch Licht angeregten Elektronen und Löcher jedoch stattdessen durch magnetische Wechselwirkungen.“

Die Ergebnisse könnten bei der Entwicklung neuer Exzitonen-bezogener Technologien oder Exzitonik Anwendung finden, bei denen die Exzitonen durch ihre magnetischen Eigenschaften manipuliert würden. „Hubbard-Exzitonen und ihr magnetischer Bindungsmechanismus stellen eine drastische Abkehr von den Paradigmen der traditionellen Exzitonik dar und schaffen die Möglichkeit, ein ganzes Ökosystem neuartiger Technologien zu entwickeln, die in herkömmlichen Exzitonsystemen grundsätzlich nicht verfügbar sind“, sagt Mehio. „Die starke Verflechtung von Exzitonen und Magnetismus in einem einzigen Material könnte zu neuen Technologien führen, die beide Eigenschaften nutzen.“

Um die Hubbard-Exzitonen zu erzeugen, richteten die Forscher Licht auf eine Art Isoliermaterial, das als antiferromagnetischer Mott-Isolator bekannt ist. Dabei handelt es sich um magnetische Materialien, in denen die Elektronenspins in einem sich wiederholenden, stabilen Muster ausgerichtet sind. Das Licht regt die Elektronen an, die zu anderen Atomen springen und Löcher hinterlassen.

„Wenn sich in diesen Materialien ein Elektron oder ein Loch durch das Gitter bewegt, hinterlässt es eine Reihe magnetischer Anregungen“, sagt Mehio. „Stellen Sie sich vor, Sie binden ein Ende eines elastischen Seils um Ihren Freund und das andere Ende um sich selbst. Wenn Ihr Freund vor Ihnen wegläuft, spüren Sie, wie das Seil Sie in diese Richtung zieht und beginnen, ihm zu folgen. Dieses Szenario ist analog zu dem, was zwischen einem fotoangeregten Elektron und dem Loch, das es in einem Mott-Isolator hinterlässt, passiert. Bei Hubbard-Exzitonen erfüllt die Kette magnetischer Anregungen zwischen dem Paar die gleiche Rolle wie das Seil, das Sie mit Ihrem Freund verbindet.“

Um die Existenz der Hubbard-Exzitonen nachzuweisen, verwendeten die Forscher eine Methode namens ultraschnelle Zeitbereichs-Terahertz-Spektroskopie, die es ihnen ermöglichte, auf sehr niedrigen Energieskalen nach den sehr kurzlebigen Signaturen der Exzitonen zu suchen. „Exzitonen sind instabil, weil die Elektronen zurück in die Löcher wollen“, erklärt Hsieh. „Wir haben eine Möglichkeit, das kurze Zeitfenster zu untersuchen, bevor diese Rekombination stattfindet, und so konnten wir sehen, dass eine Flüssigkeit aus Hubbard-Exzitonen vorübergehend stabilisiert wird.“

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