Científicos rusos de la Universidad Federal de los Urales (UrFU), junto con sus colegas del Instituto de Física de los Metales del Departamento de los Urales de la Academia de Ciencias de Rusia, han estudiado las características fundamentales de los nanocristales de óxido de níquel y han encontrado excitones en el borde de absorción de luz por primera vez. Un excitón es un par electrón-hueco unido con un acoplamiento electrostático que migra en un cristal y transmite energía dentro de él. La presencia de un excitón en esta área permite una investigación detallada de los parámetros de los bordes en las bandas de energía permitidas. Esto puede resultar útil para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos de próxima generación. Los resultados del estudio se publicaron en Physica B:Física de la materia condensada diario.

Los líquidos y (en determinadas circunstancias) los gases se dividen en conductores y dieléctricos. Los primeros conducen electricidad, y este último, respectivamente, no. Los semiconductores se encuentran entre estas dos categorías:la conductividad se produce debido al movimiento de electrones cargados y huecos dentro del cristal. Se encuentran en sistemas con impurezas que pueden liberar o recibir electrones, así como después de la irradiación con luz de alta energía.

"En la física de los semiconductores, Existe una noción de borde de adsorción fundamental que indica la energía de adsorción de luz a nivel de borde. Corresponde a la brecha de energía, el área de energías que un electrón tiene que pasar en el curso de su movimiento bajo la influencia de la luz desde la banda de valencia (donde generalmente se encuentra) a la banda de conductividad. Un espacio vacío cargado positivamente que ocurre en este lugar se llama agujero. Su interacción electrostática (Coulombic) con el electrón en la banda de conducción provoca la formación de un par electrón-hueco, o y exciton. En el espectro óptico puede verse como una línea estrecha un poco por debajo del borde de adsorción fundamental. Notablemente, un excitón no participa en la conductividad eléctrica, pero transfiere la energía absorbida, "dice Anatoly Zatsepin, un coautor del artículo, y el jefe de un laboratorio científico en UrFU.

La energía del enlace de excitación es demasiado baja, por lo que la temperatura debe ser baja para poder registrarlos. Después de ser irradiado con luz de longitud de onda corta, un par electrón-hueco colapsa porque la excitación es demasiado alta. La energía excesiva también se libera en forma de radiación, y su espectro puede registrarse. Así es como se encontraron excitones en cristales de óxido de níquel de tamaño nanométrico. Un sistema como este está altamente correlacionado, es decir, la interacción entre sus partes es muy fuerte. El equipo de investigación estudió el borde de adsorción fundamental a bajas temperaturas y encontró líneas en las que la intensidad disminuía cuando la temperatura aumentaba.

Estos hechos, así como los valores energéticos, indican su naturaleza excitona. Los científicos también estudiaron las características fundamentales de los nanocristales de óxido de magnesio con pequeñas mezclas de níquel. En este caso, los excitones se forman tras la transición del electrón (y por lo tanto la carga negativa) desde la banda de valencia del componente principal al área de mezcla. El agujero estaba unido a un campo electrostático generado por el electrón. La detección de excitones es una herramienta sensible para estudiar la complicada estructura del área fronteriza entre la banda de valencia y la banda de conductividad en semiconductores.

"Primero encontramos excitones con transferencia de carga en el límite de adsorción fundamental en el óxido de níquel y en el borde de adsorción de impurezas en el óxido de magnesio. Estos resultados pueden ser de interés para los especialistas en física teórica que estudian la estructura de bandas de los óxidos con fuertes correlaciones. NiO ha sido considerado como prototipo de tales óxidos durante mucho tiempo, y se han probado muchos esquemas de cálculo utilizando este objeto. Los resultados también pueden ser relevantes para el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos, "dice Anatoly Zatsepin.