Diamanter er en chips bedste ven:Forskning bestemmer spin-orbit-effekter på excitonkomplekser

Udover at være "en piges bedste ven" har diamanter brede industrielle anvendelser, såsom i solid-state elektronik. Nye teknologier sigter mod at producere syntetiske krystaller med høj renhed, der bliver fremragende halvledere, når de dopes med urenheder som elektrondonorer eller acceptorer af andre grundstoffer.

Disse ekstra elektroner – eller huller – deltager ikke i atombinding, men binder nogle gange til excitoner – kvasipartikler bestående af en elektron og et elektronhul – i halvledere og andet kondenseret stof.

Doping kan forårsage fysiske ændringer, men hvordan excitonkomplekset - en bundet tilstand af to positivt ladede huller og en negativt ladet elektron - manifesterer sig i diamanter dopet med bor er forblevet ubekræftet. Der findes to modstridende fortolkninger af excitonens struktur.

Et internationalt team af forskere ledet af Kyoto Universitet har nu bestemt størrelsen af ​​spin-orbit interaktionen i acceptor-bundne excitoner i en halvleder.

"Vi brød igennem energiopløsningsgrænsen for konventionelle luminescensmålinger ved direkte at observere den fine struktur af bundne excitoner i bor-doteret blå diamant ved hjælp af optisk absorption," siger teamleder Nobuko Naka fra KyotoU's Graduate School of Science.

"Vi antog, at i en exciton er to positivt ladede huller stærkere bundet end et elektron-og-hul-par," tilføjer førsteforfatter Shinya Takahashi. "Denne acceptor-bundne excitonstruktur gav to tripletter adskilt af en spin-orbit-opdeling på 14,3 meV, hvilket understøtter hypotesen."

Luminescens som følge af termisk excitation kan bruges til at observere højenergitilstande, men denne nuværende målemetode udvider spektrale linjer og slører ultrafin spaltning.

I stedet afkølede Nakas team diamantkrystallen til kryogene temperaturer og opnåede ni toppe på det dyb-ultraviolette absorptionsspektrum sammenlignet med de sædvanlige fire ved hjælp af luminescens. Derudover udviklede forskerne en analytisk model inklusive spin-orbit-effekten til at forudsige energipositioner og absorptionsintensiteter.

"I fremtidige undersøgelser overvejer vi muligheden for at måle absorption under eksterne felter, hvilket fører til yderligere linjeopdeling og validering på grund af ændringer i symmetri," siger Julien Barjon fra Université Paris-Saclay.

"Vores resultater giver nyttig indsigt i spin-kredsløbsinteraktioner i systemer ud over faststofmaterialer, såsom atom- og kernefysik. En dybere forståelse af materialer kan forbedre ydeevnen af ​​diamantenheder, såsom lysemitterende dioder, kvanteemittere og strålingsdetektorer," bemærker Naka.

Værket er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

Flere oplysninger: Shinya Takahashi et al., Spin-Orbit Effects on Exciton Complexes in Diamond, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.096902

Leveret af Kyoto University