Fig. 1:Ilustración de la formación de excitones utilizando energía luminosa. En el metal, se cree que se forma un excitón cuando el hueco dejado por un electrón excitado se empareja con un electrón en el nivel de Fermi. Crédito:Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Por primera vez en el mundo, un equipo codirigido por un físico de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) descubrió que los excitones (electrones excitados unidos a "agujeros" de electrones vacíos) pueden existir de manera estable y viajar rápidamente a través del metal. Debido a que los excitones pueden ser generados por la energía de la luz y no tienen carga eléctrica, este descubrimiento los convierte en candidatos potenciales como una alternativa de mayor velocidad a los electrones libres como portadores de información digital.
Los excitones se forman cuando ciertos materiales absorben energía de la luz para excitar electrones, las partículas cargadas negativamente en los átomos. Los electrones se impulsan a un nivel de energía más alto para dejar espacios cargados positivamente o "agujeros" en su posición original. Debido a la atracción electrostática, un hueco y un electrón excitado pueden emparejarse sin recombinarse, formando un excitón que se comporta como una partícula sin carga (Fig. 1).
"Cuando el electrón de un excitón se recombina con un agujero, la energía se emite como luz, que podría aprovecharse para la transferencia de datos en la industria de la optoelectrónica", dice el codirector del equipo, el Dr. Ma Junzhang, profesor asistente en el Departamento de Física de CityU. "Los excitones serían mejores portadores de datos que los electrones libres, cuya carga negativa los ralentiza, pero los excitones son muy inestables, especialmente en los metales. De hecho, antes de nuestro estudio, se pensaba que los excitones estables y móviles eran imposibles en los metales".
Los investigadores lograron generar y detectar excitones en metal debido a una combinación de condiciones de prueba óptimas y características únicas del material elegido, triseleniuro de tantalio, TaSe3 . La investigación estuvo a cargo de CityU y el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza, y los resultados se publicaron en Nature Materials en un artículo titulado "Múltiples excitones móviles manifestados como bandas laterales en TaSe3 metálico casi unidimensional ." Los autores correspondientes conjuntos del artículo fueron el Dr. Ma Junzhang, el profesor Shi Ming y el Dr. Markus Müller de PSI. Los colaboradores incluyeron investigadores de la Universidad de Rutgers, la Universidad de Princeton, la Universidad de Stanford y otras instituciones.
Fig. 2:Diagrama de la estructura cristalina de TaSe3, que muestra una capa de cadenas triangulares paralelas de átomos. Crédito:Ma Junzhang, et al.
Importancia de los excitones como portadores robustos de información
Se espera que el excitón desempeñe un papel importante en el futuro de la transmisión de información gracias tanto a su neutralidad de carga como a su capacidad para moverse a través de un sólido. A diferencia de los electrones libres cargados negativamente, los excitones no se ven obstaculizados por campos eléctricos externos, campos magnéticos y defectos en el material circundante.
"Los excitones son portadores de información potencialmente más robustos y eficientes que los electrones conductores libres, que transmiten nuestra información hoy en día", dice el Dr. Ma. "Aunque se han encontrado excitones en semiconductores y se han utilizado para diseñar transistores de efecto de campo, fototransistores, diodos emisores de luz y células solares en el laboratorio, casi todos los excitones observados experimentalmente se mueven muy lentamente, lo que limita en gran medida su eficiencia en la transferencia de información. ."
Lo que es más importante, los excitones siguen siendo esquivos en los metales. Raramente se reportan para metales debido a la abundancia de electrones conductores libres. Estos electrones libres amortiguan la atracción entre cualquier hueco singular y el electrón (lo que se conoce como apantallamiento), suprimiendo así la formación de excitones. Cualquier excitón que pueda formarse en los metales es demasiado inestable para su uso práctico e incluso para la observación experimental.
Los experimentos ópticos convencionales para detectar excitones también tienen severas limitaciones técnicas.
Pero ahora, mediante el uso de una técnica poderosa y sensible llamada espectroscopia de fotoemisión de resolución angular (o ARPES) para analizar la estructura de la banda electrónica en un sólido cristalino con propiedades especiales (TaSe3 ), el equipo de CityU y PSI ha logrado un gran avance en el estudio de excitones en metales. Es decir, han descubierto la existencia de excitones robustos que viajan a gran velocidad a través de un metal.
Fig. 3:Durante la espectroscopia de fotoemisión con resolución angular (ARPES), se expulsa un electrón al vacío y se forma un excitón cuando el hueco dejado por el electrón se empareja con un electrón en el nivel de Fermi. Los investigadores obtuvieron información sobre los excitones que se forman y se mueven dentro de la TaSe3 muestra midiendo la energía de los electrones emitidos en el vacío. Crédito:Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Diseño experimental
En su búsqueda por encontrar excitones estables en los metales, el equipo de investigación recurrió al compuesto metálico TaSe3. por su baja densidad de electrones conductores libres y, por lo tanto, su pobre efecto de apantallamiento, para maximizar la posibilidad de formación de excitones. Además, TaSe3 consiste en capas apiladas de cadenas triangulares paralelas de prismas de selenio que encierran átomos de metal tantalio (Fig. 2). Por lo tanto, se comporta como un metal unidimensional, lo que permite que los excitones viajen a lo largo de un camino recto específico, porque las cadenas unidimensionales son como las vías de un tren de alta velocidad.
El equipo predijo que la llamada cuasiunidimensionalidad de TaSe3 mejoraría la atracción entre los electrones y los huecos dentro de los excitones, pero podría permitir que los dos componentes cargados estén en diferentes capas y cadenas. De esa forma, los huecos y los electrones se separarían entre sí y no se mezclarían, evitando así la aniquilación de los excitones y alargando su vida útil.
Mediante el uso de ARPES, los investigadores registraron sistemáticamente la estructura electrónica de TaSe3 . El instrumento brilló un haz estrecho de luz de alta energía sobre la muestra para excitar los electrones de modo que escaparan al vacío, mientras activaba los excitones en el TaSe3. (Fig. 3). El equipo ARPES analizó los ángulos y la energía de los electrones escapados para revelar información sobre la presencia, estructura y movimiento de los excitones.
Nuevo modelo teórico de excitones móviles
Fig. 4:Ilustración que muestra diferentes subtipos de excitones identificados en el estudio. El equipo encontró que los excitones en TaSe3 Poseen al menos tres estructuras internas diferentes:intracadena (en rosa), intercadena (en rojo) y trión (en azul) formado a partir de dos electrones y un hueco. Crédito:Ma Junzhang
Después de descartar otros mecanismos plausibles, el equipo concluyó que todos los fenómenos observados en sus experimentos ARPES podrían explicarse bien por la presencia de múltiples subtipos estables de excitones móviles que se mueven a alta velocidad a lo largo de una dimensión. El Dr. Müller, en colaboración con el profesor de física teórica Christopher Mudry de PSI, desarrolló un modelo teórico completo de excitones móviles en metales unidimensionales. El modelo teórico demostró una buena concordancia con los resultados de los experimentos.
Una característica importante del modelo es una explicación de los múltiples subtipos de excitones detectados (Fig. 4). El equipo concluyó que los excitones en TaSe3 Poseer al menos tres estructuras internas diferentes en función de dos variables. La primera variable es si un hueco se une a un electrón (formando un excitón) o dos electrones (formando un trión). La segunda variable es si los huecos y los electrones pertenecen y viajan a lo largo del mismo TaSe3 cadena (que da como resultado excitones dentro de la cadena) o cadenas vecinas (que da como resultado excitones entre cadenas y triones entre cadenas).
Los hallazgos son significativos, ya que anteriormente se pensaba que los excitones estables no podían existir dentro de los metales. El estudio también ha demostrado por primera vez que los excitones pueden moverse rápidamente dentro de un metal en una dirección específica, lo que en la práctica aumentaría la eficiencia de la transferencia de datos. Además, el equipo ha demostrado experimentalmente que ciertas propiedades de excitón en TaSe3 puede manipularse y controlarse mediante la modificación de la superficie (dopaje electrónico) con vapor de potasio.
Los hallazgos y el nuevo modelo teórico no solo proporcionan una hoja de ruta para el estudio adicional de los excitones, especialmente en metales, sino que también promueven su aplicación como portadores de información de alta velocidad en dispositivos conductores en el futuro.
"Nuestro trabajo ahora allana el camino para generar excitones móviles sintonizables pero de alta velocidad en metales", dice el Dr. Ma. "Este nuevo campo y dirección impulsará la investigación y el desarrollo de dispositivos informáticos y de comunicación que transmiten información optoelectrónica". 'Exciton surfing' podría habilitar la energía, la computación y la tecnología de comunicaciones de próxima generación
