Un equipo de investigación ha descubierto la dinámica de la transición de excitones brillantes a oscuros en la anatasa TiO2 . Sus hallazgos han sido publicados en las Proceedings of the National Academy of Sciences. .
Los excitones, cuasipartículas formadas por la unión de electrones y huecos en sistemas de materia condensada mediante la interacción de Coulomb, exhiben propiedades distintas como excitones brillantes y oscuros. Mientras que los excitones brillantes se acoplan directamente con la luz y desempeñan un papel fundamental en la absorción de la luz, los excitones oscuros, con sus vidas relativamente más largas, tienen importancia en el procesamiento de información cuántica, la condensación de Bose-Einstein y la recolección de energía luminosa.
El estudio fue dirigido por el profesor Zhao Jin y el profesor asociado Zheng Qijing de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), en colaboración con Hrvoje Petek, profesor de la Universidad de Pittsburgh.
El estudio, utilizando GW más la ecuación de Bethe-Salpeter en tiempo real, combinada con dinámica molecular no adiabática (GW + rtBSE-NAMD), exploró la dinámica de formación de excitones oscuros de momento prohibido, brillantes ópticamente excitados a fuertemente ligados en anatasa TiO 2 (un material semiconductor conocido por sus excepcionales capacidades de absorción de luz y su capacidad para activar excitones brillantes bajo excitación luminosa). Debido a la naturaleza indirecta de la banda prohibida del material, los excitones brillantes finalmente se relajan hasta los bordes de la banda, formando excitones oscuros.
La transición de excitones brillantes a oscuros mostró una vía novedosa al considerar los efectos de muchos cuerpos dentro de los excitones:la interacción entre electrones y huecos. Esta revelación reveló una escala de tiempo extendida para el proceso de transición, donde los excitones brillantes se transforman en excitones oscuros en aproximadamente 100 femtosegundos, varias veces más rápido de lo que se pensaba anteriormente. Fundamentalmente, los efectos de muchos cuerpos dentro de los excitones desempeñaron un papel fundamental durante esta transición.
Este estudio arroja luz sobre cómo la dinámica excitónica de los materiales semiconductores se ve afectada por las interacciones de muchos cuerpos, ofreciendo información crucial para el diseño de dispositivos basados en luz y materiales energéticos. También ejemplifica los esfuerzos de colaboración y los enfoques computacionales innovadores para desentrañar la intrincada dinámica de los excitones, allanando el camino para avances en la ciencia y la tecnología de los materiales.
Más información: Aolei Wang et al, Transición ultrarrápida de excitones brillantes-oscuros de muchos cuerpos en anatasa TiO2 , Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI:10.1073/pnas.2307671120
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China
