Ny kvasipartikel afsløret i stuetemperaturhalvledere

Fysikere fra Schweiz og Tyskland har afsløret fingeraftryk af den længe søgte partikel kendt som Mahan-excitonen i den optiske reaktion ved stuetemperatur af de populære methylammoniumblyhalogenidperovskitter.

De optiske egenskaber af halvledere er styret af de såkaldte "excitoner, " som er bundne par af negative elektroner og positive huller. Excitoner er vigtige, fordi de transporterer energi (uden nettoladning) på tværs af materialer og dermed spiller de en afgørende rolle i en række optoelektroniske enheder. Evnen til at kontrollere de excitoniske egenskaber af halvledere (ved at indstille parametre såsom temperatur, tryk, ladningstæthed, elektriske og magnetiske felter) er nøglen til at udvide rækkevidden og mangfoldigheden af ​​applikationer. I særdeleshed, når tætheden af ​​ladningsbærere (elektroner og huller) øges, excitoner har en tendens til at smelte, og en halvleder bliver til sidst til et metal ved den såkaldte Mott-densitet.

Imidlertid, tilbage i 1967, Gerald Mahan forudsagde, at en anden type exciton stadig kan vare ved over Mott-densiteten. Trods mange års forskning, denne såkaldte Mahan exciton er ikke blevet observeret, endsige under enheders normale driftsforhold.

Dette er nu netop blevet opnået af gruppen af ​​Majed Chergui ved EPFL, i samarbejde med Alexander Steinhoff (University of Bremen), Ana Akrap (University of Fribourg), og gruppen af ​​László Forró (EPFL). Udgiver i Naturkommunikation , holdene afslørede signaturer af Mahan excitoner i den meget populære bly-bromid organisk-uorganisk perovskit. Forskerne kortlagde, hvordan materialets optiske egenskaber ændres ved stigende tætheder af ladningsbærere med en tidsmæssig opløsning på snesevis af femtosekunder (et femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund). Mahan excitoner opstod i de optiske egenskaber med de karakteristiske træk forudsagt af teori.

Det bemærkelsesværdige er, at denne kvasipartikel nu er blevet observeret i en stuetemperatur bly-halogenid perovskit, en billig og rigelig halvleder, der er intenst undersøgt til applikationer som fotovoltaik, selvlysende materialer, og lasere. De to sidstnævnte applikationer er stærkt afhængige af høje tætheder af ladningsbærere. Desuden, på den grundlæggende side, disse fund uddyber vores viden om mange-legeme-fænomener i kondenseret stof-systemer, baner vejen mod brugen af ​​perovskiter til Bose-Einstein-kondensering af hybride lys- og excitontilstande.

"Vi studerede, hvordan excitonerne i perovskitten reagerer på tilstedeværelsen af ​​en høj ladningsbærertæthed, " siger Edoardo Baldini (tidligere ph.d.-studerende ved EPFL og nu postdoc-forsker ved MIT). "Pludselig observerede vi et spektroskopisk træk, som ikke kunne forklares inden for rammerne af andre fænomener kendt i halvledere." vi indså, at det kunne have været på grund af excitonerne forudsagt af Mahan for længe siden, " tilføjer Tania Palmieri, ph.d. elev, der ledede projektet. "Denne opdagelse viser yderligere, at hybridperovskiter er specielle materialer, ikke kun til optoelektroniske applikationer, men også til at afsløre nye grundlæggende processer."