Hurtigt bevægende excitoner observeret for første gang i metal og frigør potentialet til at fremskynde digital kommunikation

I en verdensnyhed har et team ledet af en fysiker ved City University of Hong Kong (CityU) opdaget, at excitoner – exciterede elektroner bundet til tomme elektron-"huller" – kan eksistere stabilt og bevæge sig hurtigt gennem metal. Fordi excitoner kan genereres af energi fra lys og ikke har nogen elektrisk ladning, gør denne opdagelse dem til potentielle kandidater som et højere hastighedsalternativ til frie elektroner som en bærer af digital information.

Excitoner dannes, når visse materialer absorberer energi fra lys for at excitere elektroner, de negativt ladede partikler i atomer. Elektronerne boostes til et højere energiniveau for at efterlade positivt ladede rum eller "huller" i deres oprindelige position. På grund af elektrostatisk tiltrækning kan et hul og en exciteret elektron parre sig uden at rekombinere og danne en exciton, der opfører sig som en uladet partikel (fig. 1).

"Når en excitons elektron rekombinerer med et hul, udsendes energi som lys, som kunne udnyttes til dataoverførsel i optoelektronikindustrien," siger teamets medleder Dr. Ma Junzhang, adjunkt i CityU Institut for Fysik. "Excitoner ville være bedre databærere end frie elektroner, hvis negative ladning bremser dem, men excitoner er meget ustabile, især i metaller. Faktisk, før vores undersøgelse, blev stabile og mobile excitoner anset for at være umulige i metaller."

Det lykkedes forskerne at generere og detektere excitoner i metal på grund af en kombination af optimale testbetingelser og unikke egenskaber ved deres valgte materiale, tantaltriselenid, TaSe₃ . Forskningen blev ledet af CityU og Paul Scherrer Institute (PSI) i Schweiz, og resultaterne blev offentliggjort i Nature Materials i en artikel med titlen "Flere mobile excitoner manifesteret som sidebånd i quasi-endimensional metallisk TaSe₃ ." De fælles tilsvarende forfattere af papiret var Dr. Ma Junzhang og professor Shi Ming og Dr. Markus Müller fra PSI. Samarbejdspartnere omfattede forskere fra Rutgers University, Princeton University, Stanford University og andre institutioner.

Vigtigheden af ​​excitoner som robuste informationsbærere

Exciton forventes at spille en vigtig rolle i fremtiden for informationstransmission takket være både dens ladningsneutralitet og evne til at bevæge sig gennem et fast stof. I modsætning til negativt ladede frie elektroner er excitoner uhindret af eksterne elektriske felter, magnetiske felter og defekter i det omgivende materiale.

"Excitoner er potentielt mere robuste og effektive informationsbærere end fritledende elektroner, som transmitterer vores information i dag," siger Dr. Ma. "Selvom excitoner er blevet fundet i halvledere og er blevet brugt til at designe felteffekttransistorer, fototransistorer, lysemitterende dioder og solceller i laboratoriet, bevæger næsten alle eksperimentelt observerede excitoner sig meget langsomt, hvilket i høj grad begrænser deres effektivitet i informationsoverførsel ."

Vigtigst af alt er excitoner forblevet uhåndgribelige i metaller. De er sjældent rapporteret for metaller på grund af overfloden af ​​frit ledende elektroner. Disse frie elektroner dæmper tiltrækningen mellem ethvert enkelt hul og elektron (kendt som screening), og undertrykker således dannelsen af ​​excitoner. Eventuelle excitoner, der er i stand til at dannes i metaller, er for ustabile til praktisk brug og endda eksperimentel observation.

Konventionelle optiske eksperimenter til at detektere excitoner har også alvorlige tekniske begrænsninger.

Men nu, ved at bruge en kraftfuld og følsom teknik kaldet vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (eller ARPES) til at analysere den elektroniske båndstruktur i et krystallinsk fast stof med særlige egenskaber (TaSe₃ ), har CityU- og PSI-teamet fået et gennembrud i undersøgelsen af ​​excitoner i metaller. De har nemlig opdaget eksistensen af ​​robuste excitoner, der rejser med høj hastighed gennem et metal.

Eksperimentelt design

I deres søgen efter at finde stabile excitoner i metaller henvendte forskerholdet sig til den metalliske forbindelse TaSe₃ for dens lave tæthed af frit ledende elektroner og dermed dårlige screeningseffekt, for at maksimere chancen for excitondannelse. Derudover TaSe₃ består af stablede lag af parallelle trekantede kæder af selenprismer, der omslutter tantalmetalatomer (fig. 2). Det opfører sig således som et endimensionelt metal, der tillader excitoner at bevæge sig langs en bestemt lige vej, fordi de endimensionelle kæder er som højhastighedstogskinner.

Holdet forudsagde, at den såkaldte en-dimensionalitet af TaSe₃ ville øge tiltrækningen mellem elektronerne og hullerne i excitoner, men alligevel kunne tillade de to ladede komponenter at være i forskellige lag og kæder. På den måde ville hullerne og elektronerne blive adskilt fra hinanden og ville undgå at blandes, hvilket forhindrede udslettelse af excitoner og forlænge deres levetid.

Ved at bruge ARPES registrerede forskerne systematisk den elektroniske struktur af TaSe₃ . Instrumentet lyste en smal stråle af højenergilys på prøven for at excitere elektroner, så de undslap ind i et vakuum, mens excitonerne blev aktiveret i TaSe₃ (Fig. 3). ARPES-udstyret analyserede vinklerne og energien af ​​de undslupne elektroner for at afsløre information om tilstedeværelsen, strukturen og bevægelsen af ​​excitoner.

Ny teoretisk model af mobile excitoner

Efter at have udelukket andre plausible mekanismer, konkluderede holdet, at alle de observerede fænomener i deres ARPES-eksperimenter godt kunne forklares ved tilstedeværelsen af ​​flere stabile undertyper af mobile excitoner, der bevæger sig med høj hastighed langs én dimension. Dr. Müller udviklede derefter i samarbejde med teoretisk fysiker professor Christopher Mudry fra PSI en komplet teoretisk model af mobile excitoner i endimensionelle metaller. Den teoretiske model viste god overensstemmelse med resultaterne af eksperimenterne.

Et vigtigt træk ved modellen er en forklaring på de mange undertyper af excitoner, der er påvist (fig. 4). Holdet konkluderede, at excitons i TaSe₃ besidder mindst tre forskellige interne strukturer afhængigt af to variable. Den første variabel er, om et hul binder til en elektron (danner en exciton) eller to elektroner (danner en trion). Den anden variabel er, om hullerne og elektronerne tilhører og bevæger sig langs den samme TaSe₃ kæde (hvilket resulterer i intrakæde-excitoner) eller nabokæder (resulterer i interkæde-excitoner og interkæde-trioner).

Resultaterne er signifikante, da man tidligere troede, at stabile excitoner ikke kunne eksistere i metaller. Undersøgelsen har også for første gang vist, at excitoner kan bevæge sig hurtigt i et metal i en bestemt retning, hvilket i praksis ville øge dataoverførselseffektiviteten. Desuden har holdet eksperimentelt vist, at visse excitonegenskaber i TaSe₃ kan manipuleres og kontrolleres ved overflademodifikation (elektrondoping) med kaliumdamp.

Resultaterne og den nye teoretiske model giver ikke kun en køreplan for den videre undersøgelse af excitoner, især i metaller, men fremmer også deres anvendelse som højhastighedsinformationsbærere i lederenheder i fremtiden.

"Vores arbejde baner nu vejen for at generere højhastigheds, men afstembare mobile excitoner i metaller," siger Dr. Ma. "Dette nye felt og retning vil fremme forskning og udvikling inden for computer- og kommunikationsenheder, der transmitterer optoelektronisk information." + Udforsk yderligere

'Exciton-surfing' kunne muliggøre næste generations energi-, computer- og kommunikationsteknologi