Físicos encontram evidências de excitons ligados magneticamente

Os físicos detectaram experimentalmente como os chamados excitons de Hubbard se formam em tempo real.

Os excitons são uma parte fundamental de muitas tecnologias, incluindo painéis solares, fotodetectores e sensores, bem como diodos emissores de luz encontrados em televisões e telas digitais. Na maioria dos casos, os pares de excitons são ligados por forças elétricas ou eletrostáticas, também conhecidas como interações de Coulomb. Agora, num novo estudo publicado na Nature Physics, os investigadores do Caltech relatam a detecção de excitons que não são ligados pelas forças de Coulomb, mas sim pelo magnetismo. Esta é a primeira experiência a detectar como estes chamados excitons de Hubbard, em homenagem ao falecido físico John Hubbard, se formam em tempo real.

"Usando uma sonda espectroscópica avançada, fomos capazes de observar em tempo real a geração e o decaimento de excitons ligados magneticamente, os excitons de Hubbard", diz o autor principal do estudo, Omar Mehio (PhD '23), um estudante recente de pós-graduação na Caltech que trabalhou com David Hsieh, professor de física Donald A. Glaser na Caltech. Mehio é agora pós-doutorado no Kavli Institute em Cornell.

“Na maioria dos isolantes, elétrons e buracos com cargas opostas interagem entre si, assim como um elétron e um próton se ligam para formar um átomo de hidrogênio”, explica Mehio. "No entanto, em uma classe especial de materiais conhecida como isolantes de Mott, os elétrons e buracos fotoexcitados se ligam por meio de interações magnéticas."

Os resultados poderiam ter aplicações no desenvolvimento de novas tecnologias relacionadas aos excitons, ou excitons, nas quais os excitons seriam manipulados através de suas propriedades magnéticas. "Os excitons de Hubbard e seu mecanismo de ligação magnética demonstram um afastamento drástico dos paradigmas da excitônica tradicional, criando a oportunidade de desenvolver todo um ecossistema de novas tecnologias que estão fundamentalmente indisponíveis em sistemas excitônicos convencionais", diz Mehio. "Ter excitons e magnetismo fortemente interligados em um único material pode levar a novas tecnologias que aproveitem ambas as propriedades."

Para criar os excitons de Hubbard, os pesquisadores aplicaram luz a um tipo de material isolante conhecido como isolante antiferromagnético Mott. Estes são materiais magnéticos nos quais os spins dos elétrons estão alinhados em um padrão estável e repetitivo. A luz excita os elétrons, que saltam para outros átomos, deixando buracos para trás.

“Nesses materiais, quando um elétron ou buraco se move através da rede, eles deixam em seu rastro uma série de excitações magnéticas”, diz Mehio. "Imagine que você amarra uma ponta de uma corda elástica em volta de seu amigo e a outra em você. Se seu amigo fugir de você, você sentirá a corda puxando você naquela direção e começará a segui-lo. Este cenário é análogo ao que acontece entre um elétron fotoexcitado e o buraco que ele deixa em um isolador de Mott. Com os excitons de Hubbard, a cadeia de excitações magnéticas entre o par desempenha o mesmo papel que a corda que conecta você ao seu amigo.

Para demonstrar a existência dos excitons de Hubbard, os pesquisadores usaram um método chamado espectroscopia terahertz ultrarrápida no domínio do tempo, que lhes permitiu procurar assinaturas de vida muito curta dos excitons em escalas de energia muito baixas. “Os excitons são instáveis ​​porque os elétrons querem voltar para os buracos”, explica Hsieh. "Temos uma maneira de sondar o curto espaço de tempo antes que essa recombinação ocorra, e isso nos permitiu ver que um fluido de excitons de Hubbard é estabilizado transitoriamente."

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