In een wereldprimeur heeft een team onder leiding van een natuurkundige van de City University of Hong Kong (CityU) ontdekt dat excitonen - opgewonden elektronen gebonden aan lege "elektronengaten" - stabiel kunnen bestaan ​​en snel door metaal kunnen reizen. Omdat excitonen kunnen worden gegenereerd door energie uit licht en geen elektrische lading hebben, maakt deze ontdekking hen potentiële kandidaten als een sneller alternatief voor vrije elektronen als drager van digitale informatie.

Excitonen ontstaan ​​wanneer bepaalde materialen energie van licht absorberen om elektronen te exciteren, de negatief geladen deeltjes in atomen. De elektronen worden naar een hoger energieniveau gestuwd om positief geladen ruimtes of "gaten" in hun oorspronkelijke positie achter te laten. Door elektrostatische aantrekking kunnen een gat en een aangeslagen elektron paren zonder te recombineren, waardoor een exciton wordt gevormd dat zich gedraagt ​​als een ongeladen deeltje (Fig 1).

"Wanneer het elektron van een exciton recombineert met een gat, wordt energie uitgestraald als licht, dat kan worden gebruikt voor gegevensoverdracht in de opto-elektronica-industrie", zegt teamleider Dr. Ma Junzhang, assistent-professor in de CityU Department of Physics. "Excitonen zouden betere gegevensdragers zijn dan vrije elektronen, waarvan de negatieve lading ze vertraagt, maar excitonen zijn erg onstabiel, vooral in metalen. Sterker nog, vóór onze studie werd gedacht dat stabiele en mobiele excitonen onmogelijk waren in metalen."

De onderzoekers slaagden erin om excitonen in metaal te genereren en te detecteren dankzij een combinatie van optimale testomstandigheden en unieke eigenschappen van hun gekozen materiaal, tantaaltriselenide, TaSe₃ . Het onderzoek werd geleid door CityU en het Paul Scherrer Institute (PSI) in Zwitserland, en de resultaten werden gepubliceerd in Nature Materials in een artikel getiteld "Meerdere mobiele excitonen gemanifesteerd als zijbanden in quasi-eendimensionale metalen TaSe₃ De gezamenlijke corresponderende auteurs van het artikel waren Dr. Ma Junzhang, en Professor Shi Ming en Dr. Markus Müller van PSI. Medewerkers waren onder meer onderzoekers van de Rutgers University, Princeton University, Stanford University en andere instellingen.

Belang van excitonen als robuuste informatiedragers

Het exciton zal naar verwachting een belangrijke rol spelen in de toekomst van informatieoverdracht dankzij zowel zijn ladingsneutraliteit als zijn vermogen om door een vaste stof te bewegen. In tegenstelling tot negatief geladen vrije elektronen, worden excitonen niet gehinderd door externe elektrische velden, magnetische velden en defecten in het omringende materiaal.

"Excitons zijn potentieel robuustere en efficiëntere informatiedragers dan vrije geleidende elektronen, die onze informatie vandaag verzenden", zegt Dr. Ma. "Hoewel excitonen zijn gevonden in halfgeleiders en zijn gebruikt om veldeffecttransistoren, fototransistoren, lichtgevende diodes en zonnecellen in het laboratorium te ontwerpen, bewegen bijna alle experimenteel waargenomen excitonen zeer langzaam, waardoor hun efficiëntie bij informatieoverdracht aanzienlijk wordt beperkt. ."

Het belangrijkste is dat excitonen ongrijpbaar zijn gebleven in metalen. Ze worden zelden gerapporteerd voor metalen vanwege de overvloed aan vrij geleidende elektronen. Deze vrije elektronen dempen de aantrekkingskracht tussen een enkelvoudig gat en elektron (bekend als afscherming), waardoor de vorming van excitonen wordt onderdrukt. Alle excitonen die zich in metalen kunnen vormen, zijn te onstabiel voor praktisch gebruik en zelfs voor experimentele observatie.

Conventionele optische experimenten om excitonen te detecteren hebben ook ernstige technische beperkingen.

Maar nu, door gebruik te maken van een krachtige en gevoelige techniek genaamd hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie (of ARPES) om de elektronische bandstructuur te analyseren in een kristallijne vaste stof met speciale eigenschappen (TaSe₃ ), hebben het team van CityU en PSI een doorbraak bereikt in de studie van excitonen in metalen. Ze hebben namelijk het bestaan ​​ontdekt van robuuste excitonen die met hoge snelheid door een metaal reizen.

Experimenteel ontwerp

In hun zoektocht naar stabiele excitonen in metalen, wendde het onderzoeksteam zich tot de metaalverbinding TaSe₃ vanwege de lage dichtheid van vrij geleidende elektronen en dus het slechte afschermeffect, om de kans op excitonvorming te maximaliseren. Bovendien, TaSe₃ bestaat uit gestapelde lagen van evenwijdige driehoekige ketens van seleniumprisma's die tantaalmetaalatomen omsluiten (figuur 2). Het gedraagt ​​zich dus als een eendimensionaal metaal, waardoor excitonen langs een specifiek recht pad kunnen reizen, omdat de eendimensionale kettingen als hogesnelheidstreinsporen zijn.

Het team voorspelde dat de zogenaamde quasi-eendimensionaliteit van TaSe₃ zou de aantrekkingskracht tussen de elektronen en gaten in excitonen vergroten, maar zou de twee geladen componenten in verschillende lagen en ketens kunnen laten zijn. Op die manier zouden de gaten en elektronen van elkaar worden gescheiden en zouden ze niet mengen, waardoor de vernietiging van excitonen wordt voorkomen en hun levensduur wordt verlengd.

Met behulp van ARPES hebben de onderzoekers systematisch de elektronische structuur van TaSe₃ . vastgelegd . Het instrument scheen een smalle bundel hoogenergetisch licht op het monster om elektronen te exciteren zodat ze in een vacuüm ontsnapten, terwijl excitonen in de TaSe₃ werden geactiveerd. (Afb. 3). De ARPES-apparatuur analyseerde de hoeken en energie van de ontsnapte elektronen om informatie te onthullen over de aanwezigheid, structuur en beweging van excitonen.

Nieuw theoretisch model van mobiele excitonen

Na het uitsluiten van andere plausibele mechanismen, concludeerde het team dat alle waargenomen verschijnselen in hun ARPES-experimenten goed konden worden verklaard door de aanwezigheid van meerdere stabiele subtypes van mobiele excitonen die met hoge snelheid langs één dimensie bewegen. Dr. Müller ontwikkelde vervolgens in samenwerking met theoretisch natuurkundige professor Christopher Mudry van PSI een compleet theoretisch model van mobiele excitonen in eendimensionale metalen. Het theoretische model toonde een goede overeenkomst met de resultaten van de experimenten.

Een belangrijk kenmerk van het model is een verklaring voor de meerdere gedetecteerde subtypes van excitonen (figuur 4). Het team concludeerde dat excitonen in TaSe₃ beschikken over ten minste drie verschillende interne structuren, afhankelijk van twee variabelen. De eerste variabele is of een gat bindt aan één elektron (vormen een exciton) of twee elektronen (vormen een trion). De tweede variabele is of de gaten en elektronen behoren tot en reizen langs dezelfde TaSe₃ keten (resulterend in excitonen tussen ketens) of aangrenzende ketens (resulterend in excitonen tussen ketens en trionen tussen ketens).

De bevindingen zijn significant, omdat eerder werd gedacht dat stabiele excitonen niet in metalen konden bestaan. De studie heeft ook voor het eerst aangetoond dat excitonen snel in een metaal kunnen bewegen in een specifieke richting, wat in de praktijk de efficiëntie van de gegevensoverdracht zou verhogen. Bovendien heeft het team experimenteel aangetoond dat bepaalde exciton-eigenschappen in TaSe₃ kan worden gemanipuleerd en gecontroleerd door oppervlaktemodificatie (elektronendoping) met kaliumdamp.

De bevindingen en het nieuwe theoretische model bieden niet alleen een routekaart voor de verdere studie van excitonen, vooral in metalen, maar bevorderen ook hun toepassing als snelle informatiedragers in geleiderinrichtingen in de toekomst.

"Ons werk maakt nu de weg vrij voor het genereren van snelle maar afstembare mobiele excitonen in metalen", zegt Dr. Ma. "Dit nieuwe veld en deze richting zullen onderzoek en ontwikkeling bevorderen op het gebied van computer- en communicatieapparaten die opto-elektronische informatie verzenden." + Verder verkennen

'Exciton-surfen' kan de volgende generatie energie-, computer- en communicatietechnologie mogelijk maken