Fizikçiler manyetik olarak bağlı eksitonlara dair kanıt buluyor

Eksitonlar, güneş panelleri, fotodetektörler ve sensörlerin yanı sıra televizyonlarda ve dijital ekranlarda bulunan ışık yayan diyotlar da dahil olmak üzere birçok teknolojinin önemli bir parçasıdır. Çoğu durumda eksiton çiftleri, Coulomb etkileşimleri olarak da bilinen elektriksel veya elektrostatik kuvvetlerle bağlanır. Şimdi, Nature Physics dergisindeki yeni bir çalışmada, Caltech araştırmacıları Coulomb kuvvetleriyle değil, manyetizmayla bağlı olan eksitonları tespit ettiklerini rapor ediyorlar. Bu, merhum fizikçi John Hubbard'ın adını taşıyan Hubbard eksitonlarının gerçek zamanlı olarak nasıl oluştuğunu tespit eden ilk deneydir.

Caltech'te yeni yüksek lisans öğrencisi olan ve Caltech'te yeni yüksek lisans öğrencisi olan Omar Mehio (Doktora '23), "Gelişmiş bir spektroskopik prob kullanarak, manyetik olarak bağlı eksitonların, yani Hubbard eksitonlarının oluşumunu ve bozunmasını gerçek zamanlı olarak gözlemleyebildik" diyor. David Hsieh, Caltech'te Donald A. Glaser Fizik Profesörü. Mehio şu anda Cornell'deki Kavli Enstitüsü'nde doktora sonrası araştırmacı olarak çalışıyor.

Mehio, "Çoğu yalıtkanda, zıt yüklü elektronlar ve delikler, tıpkı bir elektron ve protonun bir hidrojen atomu oluşturmak üzere bağlanması gibi, birbirleriyle etkileşime girer" diye açıklıyor. "Ancak, Mott yalıtkanları olarak bilinen özel bir malzeme sınıfında, foto-uyarılmış elektronlar ve delikler bunun yerine manyetik etkileşimler yoluyla bağlanır."

Sonuçlar, eksitonların manyetik özellikleri aracılığıyla manipüle edileceği yeni eksitonla ilgili teknolojilerin veya eksitoniklerin geliştirilmesinde uygulamalara sahip olabilir. Mehio, "Hubbard eksitonları ve onların manyetik bağlanma mekanizmaları, geleneksel eksitoniklerin paradigmalarından büyük bir sapma göstererek, geleneksel eksitonik sistemlerde temelde mevcut olmayan yeni teknolojilerden oluşan bir ekosistem geliştirme fırsatı yaratıyor" diyor. "Tek bir malzemede güçlü bir şekilde iç içe geçmiş eksitonlara ve manyetizmaya sahip olmak, her iki özelliği de kullanan yeni teknolojilere yol açabilir."

Hubbard eksitonlarını oluşturmak için araştırmacılar, antiferromanyetik Mott yalıtkanı olarak bilinen bir tür yalıtım malzemesine ışık uyguladılar. Bunlar, elektron dönüşlerinin tekrarlanan, kararlı bir düzende hizalandığı manyetik malzemelerdir. Işık, diğer atomlara sıçrayan ve geride delikler bırakan elektronları harekete geçirir.

Mehio, "Bu malzemelerde, bir elektron veya delik kafes içinde hareket ettiğinde, arkasında bir dizi manyetik uyarı bırakır" diyor. "Elastik bir ipin bir ucunu arkadaşınıza, diğer ucunu kendinize bağladığınızı hayal edin. Arkadaşınız sizden kaçarsa ipin sizi o yöne çektiğini hissedecek ve onu takip etmeye başlayacaksınız. Bu senaryo da buna benziyor. "Işıkla uyarılan bir elektron ile onun Mott yalıtkanında geride bıraktığı delik arasında neler olduğuyla ilgili. Hubbard eksitonlarıyla çift arasındaki manyetik uyarım dizisi, sizi arkadaşınıza bağlayan iple aynı görevi görüyor."

Hubbard eksitonlarının varlığını göstermek için araştırmacılar, ultra hızlı zaman alanlı terahertz spektroskopisi adı verilen ve çok düşük enerji ölçeklerinde eksitonların çok kısa ömürlü imzalarını aramalarına olanak tanıyan bir yöntem kullandılar. Hsieh, "Eksitonlar kararsızdır çünkü elektronlar deliklere geri dönmek ister" diye açıklıyor. "Bu rekombinasyon meydana gelmeden önceki kısa zaman penceresini araştırmak için bir yönteme sahibiz ve bu, Hubbard eksitonlarından oluşan bir sıvının geçici olarak stabilize edildiğini görmemize olanak sağladı."

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