Fisici svizzeri e tedeschi hanno svelato le impronte digitali della particella a lungo cercata nota come eccitone di Mahan nella risposta ottica a temperatura ambiente delle popolari perovskiti di alogenuro di piombo di metilammonio.

Le proprietà ottiche dei semiconduttori sono governate dai cosiddetti "eccitoni, " che sono coppie legate di elettroni negativi e lacune positive. Gli eccitoni sono importanti perché trasportano energia (senza carica netta) attraverso i materiali e quindi svolgono un ruolo cruciale in una serie di dispositivi optoelettronici. La capacità di controllare le proprietà eccitoniche dei semiconduttori (regolando parametri come temperatura, pressione, densità di carica, campi elettrici e magnetici) è fondamentale per ampliare la gamma e la diversità delle applicazioni. In particolare, quando la densità dei portatori di carica (elettroni e lacune) aumenta, gli eccitoni tendono a fondersi e un semiconduttore alla fine si trasforma in un metallo alla cosiddetta densità di Mott.

Però, nel 1967, Gerald Mahan ha predetto che un diverso tipo di eccitone può ancora persistere al di sopra della densità di Mott. Nonostante anni di ricerche, questo cosiddetto eccitone di Mahan non è stato osservato, figuriamoci nelle normali condizioni di funzionamento dei dispositivi.

Questo è stato appena raggiunto dal gruppo di Majed Chergui all'EPFL, in collaborazione con Alexander Steinhoff (Università di Brema), Ana Akrap (Università di Friburgo), e il gruppo di László Forró (EPFL). Pubblicazione in Comunicazioni sulla natura , le squadre hanno scoperto le firme degli eccitoni di Mahan nella perovskite organica-inorganica del bromuro di piombo molto popolare. I ricercatori hanno mappato come le proprietà ottiche del materiale si modificano all'aumentare della densità dei portatori di carica con una risoluzione temporale di decine di femtosecondi (un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo). Gli eccitoni di Mahan sono emersi nelle proprietà ottiche con le caratteristiche distintive previste dalla teoria.

Ciò che è notevole è che questa quasiparticella è stata ora osservata in una perovskite di alogenuro di piombo a temperatura ambiente, un semiconduttore economico e abbondante che è intensamente studiato per applicazioni come il fotovoltaico, materiali luminescenti, e laser. Le ultime due applicazioni si basano fortemente su alte densità di portatori di carica. Per di più, dal punto di vista fondamentale, questi risultati approfondiscono la nostra conoscenza dei fenomeni a molti corpi nei sistemi di materia condensata, aprendo la strada all'uso delle perovskiti per la condensazione di Bose-Einstein di stati ibridi di luce ed eccitoni.

"Stavamo studiando come gli eccitoni nella perovskite reagiscono alla presenza di un'alta densità di portatori di carica, " dice Edoardo Baldini (ex dottorando all'EPFL e ora ricercatore post-dottorato al MIT). "Improvvisamente abbiamo osservato una caratteristica spettroscopica che non poteva essere spiegata nel quadro di altri fenomeni noti nei semiconduttori." "Scavando nella teoria ci siamo resi conto che poteva essere dovuto agli eccitoni previsti da Mahan molto tempo fa, " aggiunge Tania Palmieri, il dottorato studente che ha guidato il progetto. "Questa scoperta dimostra ulteriormente che le perovskiti ibride sono materiali speciali non solo per applicazioni optoelettroniche, ma anche per svelare nuovi processi fondamentali".