Een onderzoeksteam heeft de dynamiek van helder-donker excitonovergang in anataas TiO₂ blootgelegd . Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences .

Excitonen, quasideeltjes gevormd door de binding van elektronen en gaten in systemen van gecondenseerde materie via Coulomb-interactie, vertonen verschillende eigenschappen als heldere en donkere excitonen. Terwijl heldere excitonen zich direct met licht verbinden en een cruciale rol spelen bij de lichtabsorptie, zijn donkere excitonen, met hun relatief langere levensduur, van belang bij de verwerking van kwantuminformatie, Bose-Einstein-condensatie en het oogsten van lichtenergie.

De studie werd geleid door prof. Zhao Jin en universitair hoofddocent Zheng Qijing van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC), in samenwerking met Hrvoje Petek, een professor van de Universiteit van Pittsburgh.

De studie, waarbij gebruik werd gemaakt van GW plus de real-time Bethe-Salpeter-vergelijking, gecombineerd met niet-adiabatische moleculaire dynamica (GW + rtBSE-NAMD), onderzocht de vormingsdynamiek van optisch aangeslagen heldere tot sterk gebonden momentum-verboden donkere excitonen in anataas TiO ₂ (een halfgeleidermateriaal dat bekend staat om zijn uitzonderlijke lichtabsorptievermogen en zijn vermogen om heldere excitonen te activeren onder lichtexcitatie). Vanwege de indirecte bandafstand van het materiaal ontspannen heldere excitonen uiteindelijk naar de bandranden en vormen ze donkere excitonen.

De helder-donker-exciton-overgang vertoonde een nieuw pad bij het beschouwen van veel-lichaamseffecten binnen de excitonen:de interactie tussen elektronen en gaten. Deze onthulling onthulde een langere tijdschaal voor het transitieproces, waarbij heldere excitonen binnen ongeveer 100 femtoseconden transformeren in donkere excitonen, meerdere malen sneller dan eerder werd aangenomen. Cruciaal is dat de veeldeeltjeseffecten binnen excitonen een cruciale rol speelden tijdens deze overgang.

Deze studie werpt licht op hoe de excitonische dynamiek van halfgeleidermaterialen wordt beïnvloed door interacties tussen meerdere lichamen, en biedt cruciale inzichten voor het ontwerpen van op licht gebaseerde apparaten en energiematerialen. Het is ook een voorbeeld van de gezamenlijke inspanningen en innovatieve computationele benaderingen bij het ontrafelen van de ingewikkelde dynamiek van excitonen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor vooruitgang in de materiaalwetenschap en technologie.

Meer informatie: Aolei Wang et al., Ultrasnelle heldere-donker-exciton-overgang met meerdere lichamen in anataas TiO₂ , Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen (2023). DOI:10.1073/pnas.2307671120

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China