In de kunst is de negatieve ruimte in een schilderij net zo belangrijk als het schilderij zelf, en een soortgelijke situatie doet zich voor bij isolatiematerialen, waar de lege ruimte die wordt achtergelaten door ontbrekende elektronen een cruciale rol speelt bij het bepalen van de eigenschappen van het materiaal. Wanneer een negatief geladen elektron door licht wordt aangeslagen, laat het een positief geladen gat achter. Omdat gaten en elektronen tegengesteld geladen zijn, trekken ze elkaar aan en vormen ze bindingen. Het resulterende paar is van korte duur en wordt een exciton genoemd (uitgesproken als exit-tawn).
Excitons in de technologie
Excitonen zijn een integraal onderdeel van veel technologieën, zoals zonnepanelen, fotodetectoren en sensoren. Ze zijn ook een belangrijk onderdeel van de lichtgevende diodes die te vinden zijn in televisies en digitale beeldschermen. In de meeste gevallen worden excitonparen gebonden door elektrische of elektrostatische krachten, ook wel Coulomb-interacties genoemd.
Nu rapporteren Caltech-onderzoekers in een nieuwe studie gepubliceerd in Nature Physics dat de gedetecteerde excitonen niet worden gebonden door Coulomb-krachten, maar door magnetisme. Dit is het eerste experiment om te onderzoeken hoe deze zogenaamde Hubbard-excitonen (genoemd naar wijlen natuurkundige John Hubbard) zich in realtime vormen.
In een materiaal dat een antiferromagnetische Mott-isolator wordt genoemd, zijn de elektronen (bollen) zodanig georganiseerd in een atomaire roosterstructuur dat hun spins in een wisselend patroon naar boven (blauw) of naar beneden (roze) bewegen. Dit is de energiegeminimaliseerde stabiele toestand. Wanneer een materiaal door licht wordt geraakt, springt het elektron naar een nabijgelegen atomaire locatie en laat een positief geladen gat (donkere bal) achter waar het ooit verbleef. Als het elektron en het gat verder van elkaar verwijderd zijn, wordt de uitlijning van hun spins verstoord – de spins wijzen niet langer in de tegenovergestelde richting van hun buren, zoals weergegeven in het tweede paneel – en dit kost energie. Om dit energieverlies te voorkomen, hebben elektronen en gaten de neiging dicht bij elkaar te blijven. Dit is het magnetische bindingsmechanisme achter Hubbard-excitonen. Bron afbeelding: Caltech
"Met behulp van geavanceerde spectroscopische sondes konden we de productie en het verval van magnetisch gebonden excitonen (Hubbard-excitonen) in realtime observeren", zegt hoofdauteur van het onderzoek Omar Mehio (PhD '23), een recent afgestudeerde student van Caltech die samenwerkte met Caltech hoogleraar natuurkunde David Hsieh. Mechio is nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Kaveri Institute van Cornell University.
"In de meeste isolatoren werken tegengesteld geladen elektronen en gaten op elkaar in, net zoals elektronen en protonen samen waterstofatomen vormen", legt Mehio uit. "In een speciaal materiaal dat Mott-isolator wordt genoemd, worden foto-geëxciteerde elektronen en gaten echter gecombineerd door magnetische interacties."
Mogelijke toepassingen en experimenten
De bevindingen zouden kunnen worden gebruikt om nieuwe exciton-gerelateerde technologieën, of excitonica, te ontwikkelen, waarbij excitonen zullen worden gemanipuleerd via hun magnetische eigenschappen.
"Hubbard-excitonen en hun magnetische bindingsmechanismen verschillen radicaal van het traditionele excitonologieparadigma, en creëren kansen om een heel ecosysteem van nieuwe technologieën te ontwikkelen die eenvoudigweg niet mogelijk zijn met traditionele excitonsystemen", aldus Mehio. "Het nauw met elkaar verweven hebben van excitonen en magnetisme in één enkel materiaal zou kunnen leiden tot nieuwe technologieën die van beide eigenschappen profiteren."
Om Hubbard-excitonen te genereren, lieten de onderzoekers licht schijnen op een isolatiemateriaal dat een antiferromagnetische Mott-isolator wordt genoemd. Dit zijn magnetische materialen waarin elektronenspins in zich herhalende, stabiele patronen zijn gerangschikt. Het licht wekt de elektronen op, die naar andere atomen springen en gaten achterlaten.
"Wanneer elektronen of gaten in deze materialen door het kristalrooster reizen, laten ze een spoor van magnetische excitaties achter", zegt Mehio. "Stel je voor dat je het ene uiteinde van een bungee-koord aan je vriend vastmaakt en het andere uiteinde aan jezelf. Als je vriend van je wegrent, voel je dat het koord je in die richting trekt, en begin je te volgen. Dit is vergelijkbaar met wat er gebeurt tussen een door licht opgewekt elektron en het gat dat het achterlaat in een Mott-isolator. Voor Hubbard-excitonen dient de reeks magnetische excitaties tussen paren excitonen hetzelfde doel als het koord dat jou met je vriend verbindt."
Om het bestaan van Hubbard-excitonen te bewijzen, gebruikten de onderzoekers een methode genaamd ultrasnelle tijddomein terahertz-spectroscopie, waarmee ze konden zoeken naar zeer korte handtekeningen van excitonen op zeer lage energieschalen.
‘Het exciton is onstabiel omdat het elektron terug het gat in wil’, legt Xie uit. "We hebben een manier om het korte tijdsbestek te detecteren voordat deze recombinatie plaatsvindt, waardoor we kunnen zien dat Hubbard-excitonvloeistoffen tijdelijk stabiel zijn."