Scienziati russi dell'Università Federale degli Urali (UrFU), insieme ai loro colleghi dell'Istituto di fisica dei metalli del Dipartimento degli Urali dell'Accademia delle scienze russa, hanno studiato le caratteristiche fondamentali dei nanocristalli di ossido di nichel e hanno trovato per la prima volta eccitoni sul bordo di assorbimento della luce. Un eccitone è una coppia elettrone-lacuna legata con un accoppiamento elettrostatico che migra in un cristallo e trasmette energia al suo interno. La presenza di un eccitone in quest'area consente una ricerca dettagliata dei parametri di bordo nelle bande di energia consentite. Ciò può essere utile per lo sviluppo di dispositivi optoelettronici di prossima generazione. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Physica B:Fisica della Materia Condensata rivista.

I liquidi e (in determinate circostanze) i gas sono suddivisi in conduttori e dielettrici. I primi conducono elettricità, e quest'ultimo, rispettivamente, non. I semiconduttori rientrano tra queste due categorie:la conduttività si verifica a causa del movimento di elettroni carichi e lacune all'interno del cristallo. Si trovano in sistemi con impurità che possono rilasciare o ricevere elettroni, così come dopo l'irradiazione con luce ad alta energia.

"Nella fisica dei semiconduttori, c'è una nozione di bordo di adsorbimento fondamentale che indicava l'energia a livello di bordo dell'adsorbimento della luce. Corrisponde al gap energetico:l'area delle energie che un elettrone deve passare nel corso del movimento sotto l'influenza della luce dalla banda di valenza (dove si trova di solito) alla banda di conduttività. Uno spazio vuoto caricato positivamente che si verifica in questo luogo è chiamato buco. La sua interazione elettrostatica (coulombiana) con l'elettrone nella banda di conduzione provoca la formazione di una coppia elettrone-lacuna, o ed eccitone. Nello spettro ottico può essere visto come una linea stretta un po' al di sotto del bordo fondamentale di adsorbimento. In particolare, un eccitone non partecipa alla conduttività elettrica, ma trasferisce l'energia assorbita, "dice Anatoly Zatsepin, coautore dell'articolo, e il capo di un laboratorio scientifico all'UrFU.

L'energia del legame eccitonico è troppo bassa, quindi la temperatura dovrebbe essere bassa per poterli registrare. Dopo essere stato irradiato con luce a lunghezza d'onda corta, una coppia elettrone-lacuna collassa perché l'eccitazione è troppo alta. L'energia eccessiva viene rilasciata anche sotto forma di radiazioni, e il suo spettro può essere registrato. È così che sono stati trovati gli eccitoni in cristalli di dimensioni nanometriche di ossido di nichel. Un sistema come questo è altamente correlato, cioè l'interazione tra le sue parti è molto forte. Il team di ricerca ha studiato il limite fondamentale di adsorbimento a basse temperature e ha trovato linee in cui l'intensità diminuiva quando la temperatura aumentava.

Questi fatti, così come i valori energetici, indicano la loro natura eccitatoria. Gli scienziati hanno anche studiato le caratteristiche fondamentali dei nanocristalli di ossido di magnesio con piccole miscele di nichel. In questo caso, gli eccitoni si formano al passaggio dell'elettrone (e quindi della carica negativa) dalla banda di valenza del componente principale all'area di commistione. Il foro era legato con un campo elettrostatico generato dall'elettrone. La rivelazione degli eccitoni è uno strumento sensibile per studiare la complessa struttura dell'area di confine tra la banda di valenza e la banda di conducibilità nei semiconduttori.

"Abbiamo trovato per la prima volta eccitoni con trasferimento di carica al confine dell'adsorbimento fondamentale nell'ossido di nichel e al bordo di adsorbimento delle impurità nell'ossido di magnesio. Questi risultati possono essere di interesse per gli specialisti in fisica teorica che studiano la struttura a bande degli ossidi con forti correlazioni. NiO è stato considerato per lungo tempo come prototipo di tali ossidi, e molti schemi di calcolo sono stati testati utilizzando questo oggetto. I risultati possono essere rilevanti anche per lo sviluppo di nuovi dispositivi optoelettronici, "dice Anatoly Zatsepin.