Annunciando la fine di una ricerca decennale, in una nuova promettente classe di estremamente sottili, semiconduttori bidimensionali, gli scienziati hanno per la prima volta visualizzato e misurato direttamente particelle sfuggenti, chiamati eccitoni oscuri, che non può essere visto dalla luce.

La potente tecnica, descritto nella principale rivista Scienza , potrebbe rivoluzionare la ricerca sui semiconduttori e sugli eccitoni bidimensionali, con profonde implicazioni per i futuri dispositivi tecnologici, da celle solari e LED a smartphone e laser.

Gli eccitoni sono stati eccitati della materia che si trovano all'interno dei semiconduttori, un ingrediente chiave in molte tecnologie attuali. Si formano quando gli elettroni nel materiale semiconduttore sono eccitati dalla luce a uno stato energetico più elevato, lasciando dietro di sé un "buco" al livello energetico in cui prima risiedeva l'elettrone.

"I buchi sono l'assenza di un elettrone, e quindi portano la carica opposta a un elettrone, " ha spiegato l'autore senior professor Keshav Dani, che guida l'unità di spettroscopia a femtosecondi presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Queste cariche opposte si attraggono, ed elettroni e lacune si legano insieme per formare eccitoni che possono poi muoversi attraverso il materiale".

Nei normali semiconduttori, gli eccitoni si estinguono in meno di pochi miliardesimi di secondo dopo la creazione. Inoltre, possono essere 'fragili, " rendendoli difficili da studiare e manipolare. Ma circa un decennio fa, scienziati hanno scoperto semiconduttori bidimensionali, dove gli eccitoni sono più robusti.

"I robusti eccitoni conferiscono a questi materiali proprietà davvero uniche ed emozionanti, quindi ci sono stati molti studi intensi in tutto il mondo volti a usarli per creare nuovi dispositivi optoelettronici, " ha detto il co-primo autore Dr. Julien Madéo, scienziato del personale dell'Unità di spettroscopia a femtosecondi dell'OIST. "Ma al momento, c'è una grande limitazione con la tecnica sperimentale standard utilizzata per misurare gli eccitoni."

Attualmente, i ricercatori utilizzano tecniche di spettroscopia ottica, essenzialmente misurando quali lunghezze d'onda della luce vengono assorbite, riflessa o emessa dal materiale semiconduttore, per scoprire informazioni sugli stati energetici degli eccitoni. Ma la spettroscopia ottica cattura solo una piccola parte dell'immagine.

Gli scienziati sanno da tempo che solo un tipo di eccitone, chiamati eccitoni luminosi, può interagire con la luce. Ma esistono anche altri tipi di eccitoni, compresi gli eccitoni oscuri proibiti dallo slancio. In questo tipo di eccitone scuro, gli elettroni hanno una quantità di moto diversa dalle lacune a cui sono legati, che impedisce loro di assorbire la luce. Ciò significa anche che gli elettroni negli eccitoni oscuri hanno un momento diverso dagli elettroni negli eccitoni luminosi.

"Sappiamo che esistono, ma non possiamo vederli direttamente, non possiamo sondarli direttamente, e quindi non sappiamo quanto siano importanti, o quanto influiscono sulle proprietà optoelettroniche del materiale, " ha detto il dottor Madeo.

Luce splendente sugli eccitoni scuri

Per visualizzare gli eccitoni oscuri per la prima volta, gli scienziati hanno modificato una potente tecnica che in precedenza era stata ampiamente utilizzata per studiare singoli, elettroni non legati.

"Non era chiaro come questa tecnica avrebbe funzionato per gli eccitoni, che sono particelle composite in cui gli elettroni sono legati. C'era molto lavoro teorico nella comunità scientifica che discuteva la validità di questo approccio, " ha detto il Prof. Dani.

Il loro metodo proponeva che se un raggio di luce contenente fotoni di energia sufficientemente elevata fosse usato per colpire gli eccitoni nel materiale semiconduttore, l'energia dei fotoni spezzerebbe gli eccitoni e scaglierebbe gli elettroni fuori dal materiale.

Misurando la direzione in cui gli elettroni volano fuori dal materiale, gli scienziati sarebbero quindi in grado di determinare il momento iniziale degli elettroni quando facevano parte degli eccitoni. Gli scienziati quindi non solo sarebbero in grado di vedere, ma anche differenziare, gli eccitoni luminosi dagli eccitoni oscuri.

Ma l'implementazione di questa nuova tecnica ha richiesto la risoluzione di alcune enormi sfide tecniche. Gli scienziati avevano bisogno di generare impulsi di luce con fotoni ultravioletti estremi ad alta energia in grado di dividere gli eccitoni e cacciare gli elettroni dal materiale. Lo strumento doveva quindi essere in grado di misurare l'energia e l'angolo di questi elettroni. Ulteriore, poiché gli eccitoni sono così di breve durata, lo strumento doveva lavorare su scale temporali inferiori a mille miliardesimi di secondo. Infine, lo strumento richiedeva anche una risoluzione spaziale sufficientemente elevata per misurare i campioni di semiconduttori 2-D, che sono in genere disponibili solo in dimensioni su scala micron.

"Quando abbiamo risolto tutti i problemi tecnici, e accendo lo strumento, fondamentalmente lì sul nostro schermo c'erano gli eccitoni—era davvero incredibile, " ha detto il co-primo autore Dr. Michael Man, anche dall'unità di spettroscopia a femtosecondi dell'OIST.

I ricercatori hanno visto che, come previsto, c'erano sia eccitoni luminosi che scuri presenti nel materiale semiconduttore. Ma con loro sorpresa, gli scienziati hanno anche scoperto che gli eccitoni scuri dominavano il materiale, superando in numero gli eccitoni luminosi. Il team ha inoltre osservato che in determinate condizioni, mentre gli elettroni eccitati si sparpagliavano nel materiale e cambiavano quantità di moto, gli eccitoni potrebbero cambiare tra essere luminosi o scuri.

"Il predominio degli eccitoni oscuri e l'interazione tra gli eccitoni scuri e luminosi suggerisce che gli eccitoni oscuri hanno un impatto su questa nuova classe di semiconduttori ancora più grande del previsto, " ha detto il dottor Madeo.

Questa tecnica è una vera svolta, " ha concluso il Prof. Dani. "Non solo fornisce la prima osservazione degli eccitoni oscuri e ne illumina le proprietà, ma inaugura una nuova era nello studio degli eccitoni e di altre particelle eccitate".