Oltre ad essere “i migliori amici di una ragazza”, i diamanti hanno ampie applicazioni industriali, come nell’elettronica a stato solido. Le nuove tecnologie mirano a produrre cristalli sintetici di elevata purezza che diventano eccellenti semiconduttori se drogati con impurità come donatori di elettroni o accettori di altri elementi.
Questi elettroni extra, o lacune, non partecipano al legame atomico ma a volte si legano agli eccitoni, quasi particelle costituite da un elettrone e una lacuna elettronica, nei semiconduttori e in altra materia condensata.
Il doping può causare cambiamenti fisici, ma il modo in cui il complesso eccitone – uno stato legato di due lacune cariche positivamente e un elettrone carico negativamente – si manifesta nei diamanti drogati con boro non è stato confermato. Esistono due interpretazioni contrastanti della struttura dell'eccitone.
Un team internazionale di ricercatori guidati dall'Università di Kyoto ha ora determinato l'entità dell'interazione spin-orbita negli eccitoni legati all'accettore in un semiconduttore.
"Abbiamo superato il limite di risoluzione energetica delle misurazioni convenzionali della luminescenza osservando direttamente la struttura fine degli eccitoni legati nel diamante blu drogato con boro, utilizzando l'assorbimento ottico", afferma il leader del team Nobuko Naka della Graduate School of Science di KyotoU.
"Abbiamo ipotizzato che, in un eccitone, due lacune caricate positivamente siano legate più fortemente di una coppia elettrone-lacuna", aggiunge il primo autore Shinya Takahashi. "Questa struttura eccitonica legata all'accettore ha prodotto due triplette separate da una suddivisione spin-orbita di 14,3 meV, supportando l'ipotesi."
La luminescenza risultante dall'eccitazione termica può essere utilizzata per osservare stati ad alta energia, ma questo metodo di misurazione attuale allarga le linee spettrali e offusca la divisione ultrafine.
Invece, il team di Naka ha raffreddato il cristallo di diamante a temperature criogeniche, ottenendo nove picchi nello spettro di assorbimento dell’ultravioletto profondo, rispetto ai soliti quattro utilizzando la luminescenza. Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato un modello analitico che include l'effetto spin-orbita per prevedere le posizioni dell'energia e le intensità di assorbimento.
"Negli studi futuri, stiamo considerando la possibilità di misurare l'assorbimento sotto campi esterni, portando a un'ulteriore suddivisione e validazione della linea a causa dei cambiamenti di simmetria", afferma Julien Barjon dell'Université Paris-Saclay.
"I nostri risultati forniscono informazioni utili sulle interazioni spin-orbita in sistemi che vanno oltre i materiali allo stato solido, come la fisica atomica e nucleare. Una comprensione più profonda dei materiali può migliorare le prestazioni dei dispositivi a diamante, come diodi emettitori di luce, emettitori quantici e rilevatori di radiazioni", osserva Naka.
Il lavoro è pubblicato sulla rivista Physical Review Letters .
Ulteriori informazioni: Shinya Takahashi et al, Effetti dello spin-orbita sui complessi eccitonici nel diamante, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.096902
Fornito dall'Università di Kyoto
