Anunciando el final de una búsqueda de una década, en una nueva y prometedora clase de extremadamente delgados, semiconductores bidimensionales, Los científicos han visualizado y medido por primera vez directamente partículas esquivas, llamados excitones oscuros, que no se puede ver con la luz.

La poderosa técnica, descrito en revista líder Ciencias , podría revolucionar la investigación de semiconductores y excitones bidimensionales, con profundas implicaciones para los futuros dispositivos tecnológicos, desde células solares y LED hasta teléfonos inteligentes y láseres.

Los excitones son estados excitados de la materia que se encuentran dentro de los semiconductores, un ingrediente clave en muchas tecnologías actuales. Se forman cuando los electrones del material semiconductor son excitados por la luz a un estado de mayor energía, dejando atrás un "agujero" en el nivel de energía donde residía previamente el electrón.

"Los agujeros son la ausencia de un electrón, y así llevar la carga opuesta a un electrón, "explicó el autor principal, el profesor Keshav Dani, quien dirige la Unidad de Espectroscopia de Femtosegundo en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST). "Estas cargas opuestas se atraen, y los electrones y los agujeros se unen para formar excitones que luego pueden moverse por todo el material ".

En semiconductores regulares, los excitones se extinguen en menos de unas mil millonésimas de segundo después de la creación. Es más, pueden ser 'frágiles, ", lo que dificulta su estudio y manipulación. Pero hace una década, los científicos descubrieron semiconductores bidimensionales, donde los excitones son más robustos.

"Los excitones robustos dan a estos materiales propiedades realmente únicas y emocionantes, por lo que se han realizado muchos estudios intensos en todo el mundo con el objetivo de utilizarlos para crear nuevos dispositivos optoelectrónicos, "dijo el co-primer autor, el Dr. Julien Madéo, científico de planta de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de la OIST. "Pero en el momento, existe una limitación importante con la técnica experimental estándar utilizada para medir excitones ".

En la actualidad, los investigadores utilizan técnicas de espectroscopia óptica, que básicamente miden qué longitudes de onda de luz se absorben, reflejado o emitido por el material semiconductor, para descubrir información sobre los estados de energía de los excitones. Pero la espectroscopia óptica solo captura una pequeña parte de la imagen.

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que solo un tipo de excitón, llamados excitones brillantes, puede interactuar con la luz. Pero también existen otros tipos de excitones, incluyendo excitones oscuros prohibidos por el impulso. En este tipo de excitón oscuro, los electrones tienen un momento diferente al de los agujeros a los que están unidos, lo que les impide absorber la luz. Esto también significa que los electrones en los excitones oscuros tienen un momento diferente al de los electrones en los excitones brillantes.

"Sabemos que existen, pero no podemos verlos directamente, no podemos sondearlos directamente, y por tanto no sabemos lo importantes que son, o cuánto afectan las propiedades optoelectrónicas del material, "dijo el Dr. Madéo.

Luz brillante sobre excitones oscuros

Para visualizar excitones oscuros por primera vez, los científicos modificaron una técnica poderosa que anteriormente se había utilizado en gran medida para estudiar solteros, electrones no unidos.

"No estaba claro cómo funcionaría esta técnica para los excitones, que son partículas compuestas en las que los electrones están unidos. Hubo mucho trabajo teórico en la comunidad científica discutiendo la validez de este enfoque, "dijo el profesor Dani.

Su método proponía que si se usaba un haz de luz que contenía fotones de una energía lo suficientemente alta para golpear los excitones en el material semiconductor, la energía de los fotones rompería los excitones y expulsaría los electrones del material.

Midiendo la dirección en la que los electrones salen del material, los científicos podrían entonces determinar el momento inicial de los electrones cuando eran parte de los excitones. Por lo tanto, los científicos no solo podrían ver, pero también diferenciar, los excitones brillantes de los excitones oscuros.

Pero implementar esta nueva técnica requirió resolver algunos desafíos técnicos enormes. Los científicos necesitaban generar pulsos de luz con fotones ultravioleta extremos de alta energía capaces de dividir los excitones y expulsar los electrones del material. Entonces, el instrumento necesitaba poder medir la energía y el ángulo de estos electrones. Más lejos, Dado que los excitones duran tan poco, el instrumento tenía que funcionar en escalas de tiempo de menos de mil millonésimas de segundo. Finalmente, el instrumento también requería una resolución espacial lo suficientemente alta para medir las muestras de semiconductores 2-D, que normalmente están disponibles solo en tamaños de escala de micrones.

"Cuando resolvimos todos los problemas técnicos, y encendió el instrumento, Básicamente, en nuestra pantalla estaban los excitones; fue realmente asombroso, "dijo el co-primer autor, el Dr. Michael Man, también de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos OIST.

Los investigadores vieron que, como se predijo, había excitones brillantes y oscuros presentes en el material semiconductor. Pero para su sorpresa, Los científicos también encontraron que los excitones oscuros dominaban el material, superando en número a los excitones brillantes. El equipo observó además que, bajo ciertas condiciones, a medida que los electrones excitados se dispersaban por todo el material y cambiaban de impulso, los excitones pueden cambiar entre brillantes u oscuros.

"El predominio de los excitones oscuros y la interacción entre los excitones oscuros y brillantes sugiere que los excitones oscuros impactan esta nueva clase de semiconductores incluso más de lo anticipado, "dijo el Dr. Madéo.

Esta técnica es un verdadero avance, ", concluyó el profesor Dani." No solo proporciona la primera observación de los excitones oscuros e ilumina sus propiedades, pero marca el comienzo de una nueva era en el estudio de los excitones y otras partículas excitadas ".