Diamanten zijn niet alleen 'de beste vriend van een meisje', maar hebben ook brede industriële toepassingen, zoals in solid-state elektronica. Nieuwe technologieën zijn gericht op het produceren van zeer zuivere synthetische kristallen die uitstekende halfgeleiders worden wanneer ze worden gedoteerd met onzuiverheden als elektronendonor of acceptor van andere elementen.

Deze extra elektronen (of gaten) nemen niet deel aan de atomaire binding, maar binden zich soms aan excitonen (quasideeltjes bestaande uit een elektron en een elektronengat) in halfgeleiders en andere gecondenseerde materie.

Doping kan fysieke veranderingen veroorzaken, maar hoe het excitoncomplex – een gebonden toestand van twee positief geladen gaten en één negatief geladen elektron – zich manifesteert in diamanten die met boor zijn gedoteerd, is nog niet bevestigd. Er bestaan ​​twee tegenstrijdige interpretaties van de structuur van het exciton.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Kyoto heeft nu de omvang van de spin-baan-interactie in acceptor-gebonden excitonen in een halfgeleider bepaald.

"We hebben de energieresolutielimiet van conventionele luminescentiemetingen doorbroken door de fijne structuur van gebonden excitonen in met boor gedoteerde blauwe diamant direct te observeren, met behulp van optische absorptie", zegt teamleider Nobuko Naka van de Graduate School of Science van KyotoU.

"We veronderstelden dat in een exciton twee positief geladen gaten sterker gebonden zijn dan een elektron-en-gat-paar", voegt eerste auteur Shinya Takahashi toe. "Deze acceptor-gebonden excitonstructuur leverde twee tripletten op, gescheiden door een spin-baansplitsing van 14,3 meV, wat de hypothese ondersteunt."

Luminescentie als gevolg van thermische excitatie kan worden gebruikt om toestanden met hoge energie waar te nemen, maar deze huidige meetmethode verbreedt de spectraallijnen en vervaagt ultrafijne splitsingen.

In plaats daarvan koelde het team van Naka het diamantkristal af tot cryogene temperaturen, waarbij negen pieken in het diep-ultraviolette absorptiespectrum werden verkregen, vergeleken met de gebruikelijke vier bij gebruik van luminescentie. Daarnaast ontwikkelden de onderzoekers een analytisch model inclusief het spin-orbit-effect om de energieposities en absorptie-intensiteiten te voorspellen.

"In toekomstige studies overwegen we de mogelijkheid om de absorptie onder externe velden te meten, wat leidt tot verdere lijnsplitsing en validatie als gevolg van veranderingen in de symmetrie", zegt Julien Barjon van de Université Paris-Saclay.

"Onze resultaten bieden nuttige inzichten in spin-orbit-interacties in systemen die verder gaan dan vaste-stofmaterialen, zoals atomaire en kernfysica. Een dieper begrip van materialen kan de prestaties van diamantapparaten verbeteren, zoals lichtemitterende diodes, kwantumzenders en stralingsdetectoren", merkt Naka op.

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Meer informatie: Shinya Takahashi et al., Spin-Orbit-effecten op excitoncomplexen in diamant, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.096902

Aangeboden door de Universiteit van Kyoto