Natuurkundigen uit Zwitserland en Duitsland hebben vingerafdrukken onthuld van het lang gezochte deeltje dat bekend staat als het Mahan-exciton in de optische respons bij kamertemperatuur van de populaire methylammonium-loodhalogenide-perovskieten.

De optische eigenschappen van halfgeleiders worden bepaald door de zogenaamde "excitons, " die gebonden paren van negatieve elektronen en positieve gaten zijn. Excitonen zijn belangrijk omdat ze energie (zonder netto lading) over materialen transporteren en daarom spelen ze een cruciale rol in een aantal opto-elektronische apparaten. Het vermogen om de excitonische eigenschappen van halfgeleiders te regelen (door parameters zoals temperatuur, druk, ladingsdichtheid, elektrische en magnetische velden) is de sleutel tot het verbreden van het bereik en de diversiteit aan toepassingen. Vooral, wanneer de dichtheid van ladingsdragers (elektronen en gaten) toeneemt, excitonen hebben de neiging te smelten en een halfgeleider verandert uiteindelijk in een metaal bij de zogenaamde Mott-dichtheid.

Echter, in 1967, Gerald Mahan voorspelde dat een ander type exciton nog steeds boven de Mott-dichtheid kan blijven bestaan. Ondanks jarenlang onderzoek, dit zogenaamde Mahan-exciton is niet waargenomen, laat staan ​​onder de normale bedrijfsomstandigheden van apparaten.

Dit is nu net bereikt door de groep van Majed Chergui bij EPFL, in samenwerking met Alexander Steinhoff (Universiteit van Bremen), Ana Akrap (Universiteit van Fribourg), en de groep van László Forró (EPFL). Publiceren in Natuurcommunicatie , de teams ontdekten handtekeningen van Mahan-excitonen in het zeer populaire loodbromide organisch-anorganisch perovskiet. De onderzoekers brachten in kaart hoe de optische eigenschappen van het materiaal veranderen bij toenemende dichtheden van ladingsdragers met een temporele resolutie van tientallen femtoseconden (één femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde). Mahan-excitonen kwamen naar voren in de optische eigenschappen met de onderscheidende kenmerken die door de theorie waren voorspeld.

Opmerkelijk is dat dit quasideeltje nu is waargenomen in een loodhalogenideperovskiet op kamertemperatuur, een goedkope en overvloedige halfgeleider die intensief wordt onderzocht voor toepassingen zoals fotovoltaïsche, lichtgevende materialen, en lasers. De laatste twee toepassingen zijn sterk afhankelijk van hoge dichtheden van ladingsdragers. Verder, aan de fundamentele kant, deze bevindingen verdiepen onze kennis van veellichamenverschijnselen in systemen van gecondenseerde materie, de weg vrijmaken voor het gebruik van perovskieten voor de Bose-Einstein-condensatie van hybride toestanden van licht en excitonen.

"We bestudeerden hoe de excitonen in de perovskiet reageren op de aanwezigheid van een hoge ladingsdragerdichtheid, ", zegt Edoardo Baldini (vorige doctoraatsstudent aan de EPFL en nu postdoctoraal onderzoeker aan het MIT). "Plots zagen we een spectroscopisch kenmerk dat niet kon worden verklaard in het kader van andere verschijnselen die bekend zijn in halfgeleiders." we realiseerden ons dat het te wijten kon zijn aan de excitonen die Mahan lang geleden had voorspeld, " voegt Tania Palmieri toe, de Ph.D. student die het project leidde. "Deze ontdekking toont verder aan dat hybride perovskieten speciale materialen zijn, niet alleen voor opto-elektronische toepassingen, maar ook voor het onthullen van nieuwe fundamentele processen."