Fig 1:Illustrazione della formazione di eccitoni utilizzando l'energia luminosa. Nel metallo, si crede che un eccitone si formi quando il buco lasciato da un elettrone eccitato si accoppia con un elettrone a livello di Fermi. Credito:City University di Hong Kong
In una prima mondiale, un team guidato da un fisico presso la City University di Hong Kong (CityU) ha scoperto che gli eccitoni - elettroni eccitati legati a "buchi" di elettroni vuoti - possono esistere stabilmente e viaggiare rapidamente attraverso il metallo. Poiché gli eccitoni possono essere generati dall'energia della luce e non hanno carica elettrica, questa scoperta li rende potenziali candidati come alternativa a velocità più elevata agli elettroni liberi come vettori di informazioni digitali.
Gli eccitoni si formano quando alcuni materiali assorbono energia dalla luce per eccitare gli elettroni, le particelle cariche negativamente negli atomi. Gli elettroni vengono potenziati a un livello di energia più elevato per lasciare spazi o "buchi" caricati positivamente nella loro posizione originale. A causa dell'attrazione elettrostatica, una lacuna e un elettrone eccitato possono accoppiarsi senza ricombinarsi, formando un eccitone che si comporta come una particella scarica (Fig. 1).
"Quando l'elettrone di un eccitone si ricombina con un buco, l'energia viene emessa sotto forma di luce, che potrebbe essere sfruttata per il trasferimento di dati nell'industria dell'optoelettronica", afferma il co-leader del team, il dottor Ma Junzhang, assistente professore presso il Dipartimento di fisica della CityU. "Gli eccitoni sarebbero portatori di dati migliori degli elettroni liberi, la cui carica negativa li rallenta, ma gli eccitoni sono molto instabili, specialmente nei metalli. Infatti, prima del nostro studio, si pensava che gli eccitoni stabili e mobili fossero impossibili nei metalli".
I ricercatori sono riusciti a generare e rilevare eccitoni nel metallo grazie a una combinazione di condizioni di prova ottimali e caratteristiche uniche del materiale scelto, triselenide di tantalio, TaSe3 . La ricerca è stata guidata da CityU e dal Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera e i risultati sono stati pubblicati su Nature Materials in un articolo intitolato "Più eccitoni mobili manifestati come bande laterali in TaSe metallico quasi unidimensionale3 ." Gli autori congiunti corrispondenti dell'articolo erano la dott.ssa Ma Junzhang, il professor Shi Ming e il dott. Markus Müller del PSI. I collaboratori includevano ricercatori della Rutgers University, della Princeton University, della Stanford University e di altre istituzioni.
Fig 2:Schema della struttura cristallina di TaSe3, che mostra uno strato di catene triangolari parallele di atomi. Credito:Ma Junzhang, et al.
Importanza degli eccitoni come robusti vettori di informazioni
L'eccitone dovrebbe svolgere un ruolo importante nel futuro della trasmissione di informazioni grazie sia alla sua neutralità di carica che alla capacità di muoversi attraverso un solido. A differenza degli elettroni liberi con carica negativa, gli eccitoni non sono ostacolati da campi elettrici esterni, campi magnetici e difetti nel materiale circostante.
"Gli eccitoni sono portatori di informazioni potenzialmente più robusti ed efficienti degli elettroni conduttori liberi, che trasmettono le nostre informazioni oggi", afferma il dottor Ma. "Anche se gli eccitoni sono stati trovati nei semiconduttori e sono stati utilizzati per progettare transistor ad effetto di campo, fototransistor, diodi emettitori di luce e celle solari in laboratorio, quasi tutti gli eccitoni osservati sperimentalmente si muovono molto lentamente, limitando notevolmente la loro efficienza nel trasferimento di informazioni ."
Soprattutto, gli eccitoni sono rimasti inafferrabili nei metalli. Sono raramente segnalati per i metalli a causa dell'abbondanza di elettroni conduttori liberi. Questi elettroni liberi smorzano l'attrazione tra ogni singola lacuna ed elettrone (noto come schermatura), sopprimendo così la formazione di eccitoni. Tutti gli eccitoni che sono in grado di formarsi nei metalli sono troppo instabili per l'uso pratico e persino per l'osservazione sperimentale.
Anche gli esperimenti ottici convenzionali per rilevare gli eccitoni presentano gravi limitazioni tecniche.
Ma ora, utilizzando una tecnica potente e sensibile chiamata spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (o ARPES) per analizzare la struttura della banda elettronica in un solido cristallino con proprietà speciali (TaSe3 ), il team CityU e PSI hanno fatto un passo avanti nello studio degli eccitoni nei metalli. Vale a dire, hanno scoperto l'esistenza di robusti eccitoni che viaggiano ad alta velocità attraverso un metallo.
Fig 3:Durante la spettroscopia di fotoemissione con risoluzione angolare (ARPES), un elettrone viene espulso nel vuoto e si forma un eccitone quando il buco lasciato dall'elettrone si accoppia con un elettrone a livello di Fermi. I ricercatori hanno acquisito informazioni sugli eccitoni che si formano e si muovono all'interno del TaSe3 campione misurando l'energia degli elettroni emessi nel vuoto. Credito:City University di Hong Kong
Design sperimentale
Nella loro ricerca per trovare eccitoni stabili nei metalli, il team di ricerca si è rivolto al composto metallico TaSe3 per la sua bassa densità di elettroni conduttori liberi e quindi scarso effetto di schermatura, per massimizzare la possibilità di formazione di eccitoni. Inoltre, TaSe3 è costituito da strati sovrapposti di catene triangolari parallele di prismi di selenio che racchiudono atomi di tantalio metallico (Fig. 2). Si comporta quindi come un metallo unidimensionale, consentendo agli eccitoni di viaggiare lungo uno specifico percorso rettilineo, perché le catene unidimensionali sono come i binari del treno ad alta velocità.
Il team ha previsto che la cosiddetta quasi unidimensionalità di TaSe3 aumenterebbe l'attrazione tra gli elettroni e le lacune all'interno degli eccitoni, ma potrebbe consentire ai due componenti carichi di trovarsi in strati e catene differenti. In questo modo, le lacune e gli elettroni sarebbero separati l'uno dall'altro e non si mescolerebbero, impedendo così l'annientamento degli eccitoni e prolungandone la vita.
Utilizzando ARPES, i ricercatori hanno registrato sistematicamente la struttura elettronica di TaSe3 . Lo strumento ha proiettato un fascio stretto di luce ad alta energia sul campione per eccitare gli elettroni in modo che fuggissero nel vuoto, attivando gli eccitoni nel TaSe3 (Fig. 3). L'apparecchiatura ARPES ha analizzato gli angoli e l'energia degli elettroni sfuggiti per rivelare informazioni sulla presenza, la struttura e il movimento degli eccitoni.
Nuovo modello teorico degli eccitoni mobili
Fig 4:Illustrazione raffigurante diversi sottotipi di eccitoni identificati nello studio. Il team ha scoperto che gli eccitoni in TaSe3 possedere almeno tre diverse strutture interne:intrachain (in rosa), interchain (in rosso) e trion (in blu) formate da due elettroni e un buco. Credito:Ma Junzhang
Dopo aver escluso altri meccanismi plausibili, il team ha concluso che tutti i fenomeni osservati nei loro esperimenti ARPES potrebbero essere ben spiegati dalla presenza di molteplici sottotipi stabili di eccitoni mobili che si muovono ad alta velocità lungo una dimensione. Il Dr. Müller, in collaborazione con il fisico teorico Professor Christopher Mudry del PSI, ha quindi sviluppato un modello teorico completo di eccitoni mobili nei metalli unidimensionali. Il modello teorico ha dimostrato un buon accordo con i risultati degli esperimenti.
Una caratteristica importante del modello è una spiegazione per i molteplici sottotipi di eccitoni rilevati (Fig. 4). Il team ha concluso che gli eccitoni in TaSe3 possedere almeno tre diverse strutture interne dipendenti da due variabili. La prima variabile è se una lacuna si lega a un elettrone (formando un eccitone) o due elettroni (formando un trione). La seconda variabile è se le lacune e gli elettroni appartengono e viaggiano lungo lo stesso TaSe3 catena (con conseguente eccitoni intrachain) o catene vicine (con conseguente eccitoni interchain e trioni interchain).
I risultati sono significativi, poiché in precedenza si pensava che gli eccitoni stabili non potessero esistere all'interno dei metalli. Lo studio ha anche dimostrato per la prima volta che gli eccitoni possono muoversi rapidamente all'interno di un metallo lungo una direzione specifica, il che in pratica aumenterebbe l'efficienza del trasferimento dei dati. Inoltre, il team ha dimostrato sperimentalmente che alcune proprietà degli eccitoni in TaSe3 può essere manipolato e controllato mediante modifica della superficie (doping elettronico) con vapore di potassio.
I risultati e il nuovo modello teorico non solo forniscono una tabella di marcia per l'ulteriore studio degli eccitoni, in particolare nei metalli, ma promuovono anche la loro applicazione in futuro come vettori di informazioni ad alta velocità nei dispositivi conduttori.
"Il nostro lavoro ora apre la strada alla generazione di eccitoni mobili ad alta velocità ma sintonizzabili nei metalli", afferma il dottor Ma. "Questo nuovo campo e direzione farà avanzare la ricerca e lo sviluppo nei dispositivi informatici e di comunicazione che trasmettono informazioni optoelettroniche". + Esplora ulteriormente
