Affinché si verifichi l'annichilazione eccitone-eccitone, due eccitoni devono interagire tra loro. Queste interazioni sono ben caratterizzate per i sistemi 1-D e 2-D. In un sistema 1D, possiamo pensare alle interazioni degli eccitoni che si verificano come scolari che parlano su un autobus. Per esempio, l'eccitone 4 può interagire con i suoi vicini, eccitone 3 o 5, ma non può interagire con l'eccitone 1 e 2 a causa di vincoli di spazio. In un sistema 2-D, come scolari in un parco giochi, l'eccitone 4 può ora muoversi liberamente in entrambe le dimensioni, e può interagire con qualsiasi altro eccitone, ad esempio eccitone 2 o 5. Gli scienziati mirano a scoprire come avvengono le interazioni nel fosforene, un sistema quasi-1-D. Credito:OIST
Dalla sua scoperta nel 2014, il fosforene, un foglio di atomi di fosforo dello spessore di un solo atomo, ha incuriosito gli scienziati grazie alla sua anisotropia optoelettronica unica. In altre parole, gli elettroni interagiscono con la luce e si muovono in una sola direzione. Questa anisotropia significa che nonostante sia bidimensionale (2-D), il fosforene mostra un mix di proprietà che si trovano sia nei materiali unidimensionali (1-D) che in quelli 2-D. Gli scienziati ritengono che la distinta natura quasi-1-D del fosforene potrebbe essere sfruttata per sviluppare nuovi, dispositivi optoelettronici innovativi, dai LED alle celle solari.
Ora, gli scienziati dell'unità di spettroscopia a femtosecondi dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hanno fatto luce su come gli eccitoni, uno stato eccitato della materia al centro dell'optoelettronica, si muovono e interagiscono all'interno del fosforene.
"A causa dell'anisotropia, gli eccitoni si comportano in un modo davvero unico nel fosforene rispetto ad altri materiali 2-D, che stiamo appena cominciando a capire, " ha detto Vivek Pareek, dottorato di ricerca studente e primo autore dello studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica .
Gli eccitoni si formano quando un materiale assorbe un fotone, provocando l'eccitazione di un elettrone a uno stato energetico superiore. Questo lascia un "buco" caricato positivamente in cui l'elettrone risiedeva nel suo stato energetico iniziale, che è attratto dall'elettrone eccitato con carica negativa. La coppia elettrone-lacuna legata risultante, l'eccitone, può quindi muoversi attraverso il materiale e interagire con altri eccitoni.
Ma gli eccitoni sono di breve durata, e nel tempo, gli elettroni eccitati "ricadono" nei fori. Fare così, gli eccitoni possono emettere un fotone, un processo chiamato ricombinazione radiativa, oppure possono scontrarsi tra loro, trasferire calore al materiale, una ricombinazione non radiativa chiamata annichilazione eccitone-eccitone.
"Interazione eccitone-eccitone, o annientamento, è molto diverso nei sistemi 1-D e 2-D, " ha spiegato Pareek. "Possiamo quindi utilizzare l'annichilazione eccitone-eccitone come strumento per sondare la natura delle interazioni nel fosforene quasi-1-D".
A bassa densità di eccitoni, le interazioni si verificano solo in 1-D, lungo la direzione favorevole. Ad alta densità di eccitoni, le interazioni avvengono in 2-D, lungo entrambe le direzioni. Credito:OIST
Fosforene sonda
Gli scienziati hanno usato un laser per inviare due impulsi di luce al fosforene:un impulso di pompa per eccitare gli elettroni per formare eccitoni, e un impulso di sonda per catturare l'annichilazione eccitone-eccitone avvenuta durante i primi cento picosecondi (trilionesimi di secondo). Modificando la potenza dell'impulso della pompa, i ricercatori hanno alterato la densità iniziale degli eccitoni formati.
Il team ha scoperto che all'aumentare della densità degli eccitoni, annientamento eccitone-eccitone cambiato di dimensione, passando da 1-D a 2-D. I ricercatori mostrano che questo spostamento dimensionale si è verificato a causa delle proprietà anisotrope del fosforene, che sorgono a causa della struttura insolita del materiale. Questa anisotropia fa sì che gli eccitoni si muovano più rapidamente in una direzione specifica lungo il reticolo e si muovano più lentamente nell'altra direzione. Perciò, a bassa densità di eccitoni, le interazioni tra eccitoni si verificavano prevalentemente solo in una dimensione, lungo la direzione più favorevole. Ma quando la densità degli eccitoni è stata aumentata, con conseguente minori distanze tra gli eccitoni, le interazioni iniziarono a verificarsi in entrambe le dimensioni.
Gli scienziati hanno anche esplorato l'effetto della temperatura sull'annichilazione eccitone-eccitone. Quando la squadra ha raffreddato i fiocchi di fosforene, l'annientamento eccitone-eccitone è tornato da 2-D a 1-D, anche ad alta densità di eccitoni.
"Questo studio mostra che possiamo controllare se l'annichilazione eccitone-eccitone avviene in una o due dimensioni, a seconda delle condizioni che impostiamo, " ha detto il dottor Julien Madéo, Scienziato dello staff dell'OIST e coautore dello studio. "Questo rivela un nuovo, interessante proprietà del fosforene, migliorando le sue prospettive come nuovo materiale nei dispositivi optoelettronici."
