Fizycy znajdują dowody na istnienie ekscytonów związanych magnetycznie

Ekscytony stanowią kluczowy element wielu technologii, w tym paneli słonecznych, fotodetektorów i czujników, a także diod elektroluminescencyjnych stosowanych w telewizorach i ekranach wyświetlaczy cyfrowych. W większości przypadków pary ekscytonów są powiązane siłami elektrycznymi lub elektrostatycznymi, znanymi również jako oddziaływania kulombowskie. Teraz w nowym badaniu opublikowanym w Nature Physics badacze z Caltech donoszą o wykryciu ekscytonów, które nie są powiązane siłami Coulomba, ale raczej magnetyzmem. To pierwszy eksperyment mający na celu wykrycie, w jaki sposób tak zwane ekscytony Hubbarda, nazwane na cześć zmarłego fizyka Johna Hubbarda, powstają w czasie rzeczywistym.

„Dzięki zaawansowanej sondzie spektroskopowej mogliśmy obserwować w czasie rzeczywistym powstawanie i rozpad magnetycznie związanych ekscytonów, ekscytonów Hubbarda” – mówi główny autor badania Omar Mehio (doktorat '23), niedawny absolwent Caltech, który pracował z David Hsieh, profesor fizyki Donalda A. Glasera w Caltech. Mehio jest obecnie stażystą podoktorskim w Instytucie Kavli w Cornell.

„W większości izolatorów przeciwnie naładowane elektrony i dziury oddziałują ze sobą, tak jak elektron i proton wiążą się, tworząc atom wodoru” – wyjaśnia Mehio. „Jednak w specjalnej klasie materiałów, znanych jako izolatory Motta, fotowzbudzone elektrony i dziury zamiast tego wiążą się poprzez oddziaływania magnetyczne”.

Wyniki mogą mieć zastosowanie w opracowywaniu nowych technologii związanych z ekscytonami, czyli ekscytonikami, w których ekscytonami można manipulować poprzez ich właściwości magnetyczne. „Ekscytony Hubbarda i ich mechanizm wiązania magnetycznego wykazują drastyczne odejście od paradygmatów tradycyjnych ekscytonów, tworząc możliwość opracowania całego ekosystemu nowatorskich technologii, które są zasadniczo niedostępne w konwencjonalnych układach ekscytonowych” – mówi Mehio. „Silne powiązanie ekscytonów i magnetyzmu w jednym materiale może prowadzić do nowych technologii wykorzystujących obie właściwości”.

Aby stworzyć ekscytony Hubbarda, badacze zastosowali światło do materiału izolacyjnego zwanego antyferromagnetycznym izolatorem Motta. Są to materiały magnetyczne, w których spiny elektronów są ułożone w powtarzalny, stabilny wzór. Światło pobudza elektrony, które przeskakują do innych atomów, pozostawiając po sobie dziury.

„W tych materiałach, gdy elektron lub dziura przemieszcza się przez sieć, pozostawiają po sobie ciąg wzbudzeń magnetycznych” – mówi Mehio. „Wyobraź sobie, że zawiązujesz jeden koniec elastycznej liny wokół przyjaciela, a drugi koniec wokół siebie. Jeśli twój przyjaciel ucieknie od ciebie, poczujesz, jak lina ciągnie cię w tym kierunku i zaczniesz podążać. Ten scenariusz jest analogiczny tego, co dzieje się między fotowzbudzonym elektronem a dziurą, którą pozostawia w izolatorze Motta. W przypadku ekscytonów Hubbarda ciąg wzbudzeń magnetycznych pomiędzy parami spełnia tę samą rolę, co lina łącząca cię z przyjacielem.

Aby wykazać istnienie ekscytonów Hubbarda, badacze zastosowali metodę zwaną ultraszybką spektroskopią terahercową w dziedzinie czasu, która umożliwiła im poszukiwanie bardzo krótkotrwałych sygnatur ekscytonów w skalach o bardzo niskich energiach. „Ekscytony są niestabilne, ponieważ elektrony chcą wrócić do dziur” – wyjaśnia Hsieh. „Mamy sposób na zbadanie krótkiego okna czasowego, zanim nastąpi ta rekombinacja, co pozwoliło nam zobaczyć, że płyn ekscytonów Hubbarda jest przejściowo stabilizowany”.

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