Además de ser "el mejor amigo de una chica", los diamantes tienen amplias aplicaciones industriales, como en la electrónica de estado sólido. Las nuevas tecnologías tienen como objetivo producir cristales sintéticos de alta pureza que se conviertan en excelentes semiconductores cuando se dopen con impurezas como donadores de electrones o aceptores de otros elementos.

Estos electrones adicionales (o huecos) no participan en enlaces atómicos, pero a veces se unen a excitones (cuasipartículas que consisten en un electrón y un hueco de electrón) en semiconductores y otra materia condensada.

El dopaje puede provocar cambios físicos, pero aún no se ha confirmado cómo se manifiesta el complejo de excitones (un estado unido de dos huecos cargados positivamente y un electrón cargado negativamente) en los diamantes dopados con boro. Existen dos interpretaciones contradictorias sobre la estructura del excitón.

Un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Kyoto ha determinado la magnitud de la interacción espín-órbita en excitones unidos a aceptor en un semiconductor.

"Superamos el límite de resolución de energía de las mediciones de luminiscencia convencionales observando directamente la estructura fina de los excitones unidos en un diamante azul dopado con boro, utilizando absorción óptica", dice el líder del equipo Nobuko Naka de la Escuela de Graduados en Ciencias de la Universidad de Kyoto.

"Presumimos que, en un excitón, dos huecos cargados positivamente están más fuertemente unidos que un par de electrones y huecos", añade el primer autor Shinya Takahashi. "Esta estructura de excitón ligada al aceptor produjo dos tripletes separados por una división de la órbita de espín de 14,3 meV, lo que respalda la hipótesis".

La luminiscencia resultante de la excitación térmica se puede utilizar para observar estados de alta energía, pero este método de medición actual amplía las líneas espectrales y difumina la división ultrafina.

En cambio, el equipo de Naka enfrió el cristal de diamante a temperaturas criogénicas, obteniendo nueve picos en el espectro de absorción ultravioleta profundo, en comparación con los cuatro habituales que utilizan la luminiscencia. Además, los investigadores desarrollaron un modelo analítico que incluye el efecto órbita-espín para predecir las posiciones de energía y las intensidades de absorción.

"En futuros estudios, estamos considerando la posibilidad de medir la absorción bajo campos externos, lo que llevaría a una mayor división de líneas y validación debido a cambios en la simetría", dice Julien Barjon de la Universidad Paris-Saclay.

"Nuestros resultados proporcionan información útil sobre las interacciones entre órbita y espín en sistemas que van más allá de los materiales de estado sólido, como la física atómica y nuclear. Una comprensión más profunda de los materiales puede mejorar el rendimiento de los dispositivos de diamante, como los diodos emisores de luz, los emisores cuánticos y detectores de radiación", señala Naka.

El trabajo está publicado en la revista Physical Review Letters. .

Más información: Shinya Takahashi et al, Efectos de la órbita de giro sobre los complejos de excitones en diamantes, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.096902

Proporcionado por la Universidad de Kyoto