В новаторском исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, ученые из Калифорнийского технологического института (Калифорния) сделали значительное открытие в области экситонных технологий. Они выявили и наблюдали новый тип экситонов, названных экситонами Хаббарда, которые связаны не электрическими, а магнетическими силами. Это открытие открывает новые возможности для разработки приложений и технологий на основе экситонов.

Понятие об экситонах

Экситоны — это пары частиц, которые образуются, когда отрицательно заряженный электрон возбуждается светом, оставляя после себя положительно заряженную дырку. Эти пары притягиваются друг к другу за счет своих противоположных зарядов и образуют связь, называемую экситоном. Экситоны играют важную роль в различных технологиях, включая солнечные батареи, фотоприемники, сенсоры и светоизлучающие диоды.

Роль отрицательного пространства в изоляционных материалах

Подобно отрицательному пространству в искусстве, изоляционные материалы имеют пустые места, оставленные недостающими электронами, что существенно влияет на их свойства. Эти пустые пространства, или дырки, необходимы для образования экситонов. В большинстве случаев экситоны связываются электрическими силами, известными как кулоновское взаимодействие. Однако недавнее исследование ученых Калифорнийского технологического института посвящено экситонам, связанным с помощью магнетизма.

Открытие экситонов Хаббарда

Исследователи провели эксперименты с классом материалов, называемых антиферромагнитными изоляторами Мотта. В этих материалах электроны расположены в решетчатой структуре, спин которых чередуется между направлениями вверх и вниз. При попадании света электрон переходит на соседний атомный участок, оставляя после себя положительно заряженную дырку. Если электрон и дырка удаляются друг от друга на большее расстояние, то спиновое расположение между ними нарушается, что приводит к увеличению энергии. Для минимизации этого энергетического штрафа электрон и дырка предпочитают оставаться рядом друг с другом, образуя магнитную связь, известную как экситон Хаббарда.

Значение и возможные применения

Открытие экситонов Хаббарда, связанных магнитной связью, открывает новые возможности для развития экситонных технологий. Манипулируя экситонами с помощью их магнитных свойств, исследователи могут потенциально повысить эффективность и производительность солнечных батарей, фотоприемников, сенсоров и светоизлучающих диодов. Экситоника — область, ориентированная на использование экситонов в технологических приложениях, — может получить значительный прогресс благодаря этому открытию.

Омар Мехио, ведущий автор исследования и недавний аспирант Калифорнийского технологического института, объясняет значение проведенного исследования: «Используя усовершенствованный спектроскопический зонд, мы смогли в режиме реального времени наблюдать за генерацией и распадом магнитно-связанных экситонов — экситонов Хаббарда. В особом классе материалов, известных как изоляторы Мотта, фотовозбужденные электроны и дырки связываются посредством магнитных взаимодействий».

Д-р Дэвид Хсиех, профессор физики Дональд А. Глейзер из Калифорнийского технологического института и руководитель исследования, добавляет: «Это открытие открывает новый рубеж в изучении экситонов и их потенциальных применений. Понимая и используя механизм магнитного связывания экситонов Хаббарда, мы сможем исследовать новые возможности экситонных технологий».