Físicos de Suiza y Alemania han revelado huellas dactilares de la tan buscada partícula conocida como excitón de Mahan en la respuesta óptica a temperatura ambiente de las populares perovskitas de haluro de metilamonio y plomo.

Las propiedades ópticas de los semiconductores se rigen por los llamados "excitones, "que son pares unidos de electrones negativos y huecos positivos. Los excitones son importantes porque transportan energía (sin carga neta) a través de los materiales y, por lo tanto, juegan un papel crucial en varios dispositivos optoelectrónicos. La capacidad de controlar las propiedades excitónicas de los semiconductores (ajustando parámetros como la temperatura, presión, cargar densidad, campos eléctricos y magnéticos) es clave para ampliar la gama y diversidad de aplicaciones. En particular, cuando aumenta la densidad de los portadores de carga (electrones y huecos), los excitones tienden a fundirse y un semiconductor eventualmente se convierte en un metal en la denominada densidad de Mott.

Sin embargo, allá por 1967, Gerald Mahan predijo que un tipo diferente de excitón todavía puede persistir por encima de la densidad de Mott. A pesar de años de investigación, este llamado excitón de Mahan no se ha observado, mucho menos en las condiciones normales de funcionamiento de los dispositivos.

Esto lo acaba de lograr el grupo de Majed Chergui en EPFL, en colaboración con Alexander Steinhoff (Universidad de Bremen), Ana Akrap (Universidad de Friburgo), y el grupo de László Forró (EPFL). Publicando en Comunicaciones de la naturaleza , los equipos descubrieron firmas de excitones de Mahan en la muy popular perovskita orgánico-inorgánica de bromuro de plomo. Los investigadores mapearon cómo las propiedades ópticas del material se modifican a densidades crecientes de portadores de carga con una resolución temporal de decenas de femtosegundos (un femtosegundo es una millonésima de mil millonésima de segundo). Los excitones de Mahan surgieron en las propiedades ópticas con los rasgos distintivos predichos por la teoría.

Lo que es notable es que esta cuasipartícula ahora se ha observado en una perovskita de haluro de plomo a temperatura ambiente, un semiconductor barato y abundante que se investiga intensamente para aplicaciones como la fotovoltaica, materiales luminiscentes, y láseres. Las dos últimas aplicaciones dependen en gran medida de altas densidades de portadores de carga. Es más, en el lado fundamental, Estos hallazgos profundizan nuestro conocimiento de los fenómenos de muchos cuerpos en sistemas de materia condensada, allanando el camino hacia el uso de perovskitas para la condensación de Bose-Einstein de estados híbridos de luz y excitones.

"Estábamos estudiando cómo reaccionan los excitones de la perovskita a la presencia de una alta densidad de portadores de carga, "dice Edoardo Baldini (ex estudiante de doctorado en la EPFL y ahora investigador postdoctoral en el MIT)." De repente observamos una característica espectroscópica que no podía explicarse en el marco de otros fenómenos conocidos en semiconductores "." Profundizando en la teoría ". nos dimos cuenta de que podría haber sido debido a los excitones predichos por Mahan hace mucho tiempo, "añade Tania Palmieri, el Ph.D. estudiante que lideró el proyecto. "Este descubrimiento demuestra además que las perovskitas híbridas son materiales especiales no solo para aplicaciones optoelectrónicas sino también para revelar nuevos procesos fundamentales".