Para que ocurra la aniquilación excitón-excitón, dos excitones deben interactuar entre sí. Estas interacciones están bien caracterizadas para sistemas 1-D y 2-D. En un sistema 1-D, podemos pensar en interacciones de excitones que ocurren como niños en edad escolar hablando en un autobús. Por ejemplo, exciton 4 puede interactuar con sus vecinos, excitón 3 o 5, pero no puede interactuar con los excitones 1 y 2 debido a limitaciones de espacio. En un sistema 2-D, como escolares en un patio de recreo, exciton 4 ahora puede moverse libremente en ambas dimensiones, y puede interactuar con cualquier otro excitón, por ejemplo, excitón 2 o 5. El objetivo de los científicos es averiguar cómo se producen las interacciones en el fosforeno, un sistema cuasi-1-D. Crédito:OIST
Desde su descubrimiento en 2014, El fosforeno, una capa de átomos de fósforo de un solo átomo de espesor, ha intrigado a los científicos debido a su anisotropía optoelectrónica única. En otras palabras, los electrones interactúan con la luz y se mueven en una sola dirección. Esta anisotropía significa que a pesar de ser bidimensional (2-D), El fosforeno muestra una mezcla de propiedades que se encuentran tanto en materiales unidimensionales (1-D) como en 2-D. Los científicos creen que la distinta naturaleza cuasi-1-D del fosforeno podría explotarse para desarrollar nuevos dispositivos optoelectrónicos innovadores, desde LED hasta células solares.
Ahora, Los científicos de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa de la Universidad de Graduados (OIST) han arrojado luz sobre cómo los excitones, un estado excitado de la materia en el núcleo de la optoelectrónica, se mueven e interactúan dentro del fosforeno.
"Debido a la anisotropía, los excitones se comportan de una manera realmente única en el fosforeno en comparación con otros materiales 2-D, que apenas estamos empezando a comprender, "dijo Vivek Pareek, Doctor. estudiante y primer autor del estudio, publicado en Cartas de revisión física .
Los excitones se forman cuando un material absorbe un fotón, provocando que un electrón se excite a un estado de mayor energía. Esto deja un "agujero" cargado positivamente donde el electrón solía residir en su estado de energía inicial, que es atraído por el electrón excitado cargado negativamente. El par electrón-hueco resultante, el excitón, puede moverse a través del material e interactuar con otros excitones.
Pero los excitones duran poco, y en el tiempo los electrones excitados "caen" de nuevo en los agujeros. Para hacerlo los excitones pueden emitir un fotón, un proceso llamado recombinación radiativa, o pueden chocar entre sí, transferir calor al material, una recombinación no radiativa llamada aniquilación excitón-excitón.
"Interacción excitón-excitón, o aniquilación, es muy diferente en sistemas 1-D y 2-D, ", explicó Pareek." Por lo tanto, podemos usar la aniquilación excitón-excitón como una herramienta para investigar la naturaleza de las interacciones en el fosforeno cuasi-1-D ".
A baja densidad de excitones, las interacciones solo ocurren en 1-D, a lo largo de la dirección favorable. A alta densidad de excitones, las interacciones ocurren en 2-D, a lo largo de ambas direcciones. Crédito:OIST
Sondando fosforeno
Los científicos utilizaron un láser para enviar dos pulsos de luz al fosforeno:un pulso de bombeo para excitar los electrones y formar excitones. y un pulso de sonda para capturar la aniquilación excitón-excitón que ocurrió durante los primeros cien picosegundos (billonésimas de segundo). Al cambiar la potencia del pulso de la bomba, los investigadores alteraron la densidad inicial de excitones formados.
El equipo descubrió que a medida que aumentaba la densidad de excitones, la aniquilación excitón-excitón cambió de dimensión, pasando de 1-D a 2-D. Los investigadores muestran que este cambio dimensional se produjo debido a las propiedades anisotrópicas del fosforeno, que surgen debido a la estructura inusual del material. Esta anisotropía hace que los excitones se muevan más rápidamente en una dirección específica a lo largo de la red y más lentamente en la otra dirección. Por lo tanto, a bajas densidades de excitones, las interacciones entre excitones se produjeron predominantemente sólo en una dimensión, en la dirección más favorable. Pero cuando se incrementó la densidad de excitones, resultando en distancias más pequeñas entre excitones, las interacciones comenzaron a ocurrir en ambas dimensiones.
Los científicos también exploraron el efecto de la temperatura sobre la aniquilación excitón-excitón. Cuando el equipo enfrió los copos de fosforeno, aniquilación excitón-excitón revirtió de 2-D a 1-D, incluso a altas densidades de excitones.
"Este estudio muestra que podemos controlar si la aniquilación excitón-excitón ocurre en una o dos dimensiones, dependiendo de las condiciones que establezcamos, "dijo el Dr. Julien Madéo, Científico del personal de la OIST y coautor del estudio. "Esto revela una nueva, interesante propiedad del fosforeno, mejorando sus perspectivas como nuevo material en dispositivos optoelectrónicos ".
