Los físicos encuentran evidencia de excitones unidos magnéticamente

Los excitones son una parte clave de muchas tecnologías, incluidos paneles solares, fotodetectores y sensores, así como diodos emisores de luz que se encuentran en televisores y pantallas digitales. En la mayoría de los casos, los pares de excitones están unidos por fuerzas eléctricas o electrostáticas, también conocidas como interacciones de Coulomb. Ahora, en un nuevo estudio en Nature Physics, los investigadores de Caltech informan que han detectado excitones que no están unidos por fuerzas de Coulomb sino por magnetismo. Este es el primer experimento que detecta cómo se forman en tiempo real los llamados excitones de Hubbard, que llevan el nombre del fallecido físico John Hubbard.

"Usando una sonda espectroscópica avanzada, pudimos observar en tiempo real la generación y desintegración de excitones unidos magnéticamente, los excitones Hubbard", dice el autor principal del estudio Omar Mehio (PhD '23), un estudiante graduado reciente en Caltech que trabajó con David Hsieh, profesor de Física Donald A. Glaser en Caltech. Mehio es ahora becario postdoctoral en el Instituto Kavli de Cornell.

"En la mayoría de los aislantes, los electrones y los huecos con cargas opuestas interactúan entre sí del mismo modo que un electrón y un protón se unen para formar un átomo de hidrógeno", explica Mehio. "Sin embargo, en una clase especial de materiales conocidos como aislantes de Mott, los electrones y huecos fotoexcitados se unen a través de interacciones magnéticas".

Los resultados podrían tener aplicaciones en el desarrollo de nuevas tecnologías relacionadas con los excitones, o excitónica, en las que los excitones se manipularían a través de sus propiedades magnéticas. "Los excitones de Hubbard y su mecanismo de unión magnética demuestran una desviación drástica de los paradigmas de la excitónica tradicional, creando la oportunidad de desarrollar todo un ecosistema de tecnologías novedosas que fundamentalmente no están disponibles en los sistemas excitónicos convencionales", dice Mehio. "Tener excitones y magnetismo fuertemente entrelazados en un solo material podría conducir a nuevas tecnologías que aprovechen ambas propiedades".

Para crear los excitones de Hubbard, los investigadores aplicaron luz a un tipo de material aislante conocido como aislante Mott antiferromagnético. Estos son materiales magnéticos en los que los espines de los electrones están alineados en un patrón estable y repetitivo. La luz excita los electrones, que saltan a otros átomos, dejando agujeros.

"En estos materiales, cuando un electrón o un agujero se mueve a través de la red, dejan a su paso una cadena de excitaciones magnéticas", dice Mehio. "Imagínate que atas un extremo de una cuerda elástica alrededor de tu amigo y el otro extremo alrededor de ti. Si tu amigo huye de ti, sentirás que la cuerda te tira en esa dirección y comenzarás a seguirlo. Este escenario es análogo. "A lo que sucede entre un electrón fotoexcitado y el agujero que deja en un aislante Mott. Con los excitones de Hubbard, la cadena de excitaciones magnéticas entre el par cumple la misma función que la cuerda que te conecta a tu amigo".

Para demostrar la existencia de los excitones de Hubbard, los investigadores utilizaron un método llamado espectroscopia ultrarrápida de terahercios en el dominio del tiempo, que les permitió buscar firmas de muy corta duración de los excitones a escalas de muy baja energía. "Los excitones son inestables porque los electrones quieren volver a los agujeros", explica Hsieh. "Tenemos una manera de sondear el corto período de tiempo antes de que ocurra esta recombinación, y eso nos permitió ver que un fluido de excitones de Hubbard se estabiliza transitoriamente".

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