Η ικανότητα μετακίνησης ζευγών ηλεκτρονίων-οπών —που ονομάζονται εξιτόνια— σε επιθυμητές κατευθύνσεις είναι σημαντική για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και τη δημιουργία καυσίμων. Αυτό συμβαίνει φυσικά στη φωτοσύνθεση, καθιστώντας την πηγή έμπνευσης για τους ερευνητές που καινοτομούν σε οπτοηλεκτρονικές συσκευές.
Η ισχυρή σύζευξη μεταξύ φωτός και εξιτονίων παράγει μποζονικά οιονεί σωματίδια που ονομάζονται πολαριτόνια, τα οποία εκφράζουν μοναδικές ιδιότητες που επηρεάζουν θετικά την απόδοση της συσκευής.
Πολαριτόνια
Οι ερευνητές παρατήρησαν υπερβολικά πολαριτόνια εξιτονίων (HEPs) σε σταθερή κατάσταση – εξωτικά είδη πολαριτόνων εξιτονίων με ελκυστικές ιδιότητες – στον μαγνήτη van der Waals, το βρωμιούχο θειούχο χρώμιο (CrSBr).
Περιέγραψαν λεπτομερώς τις παρατηρήσεις τους σε μια μελέτη με τίτλο «Υπερβολικά πολαριτόνια εξιτονίου σε μαγνήτη van der Waals», που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications . Οι ερευνητές του NREL επινόησαν το θεωρητικό πλαίσιο για να εξηγήσουν τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια. Ερευνητές στο King’s College London, στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον, στο Ινστιτούτο Flatiron και στο Πανεπιστήμιο Radboud συμμετείχαν επίσης στη συνεργασία.
Ο Mark van Schilfgaarde του NREL, επικεφαλής θεωρητικός και συν-συγγραφέας αυτής της μελέτης, δήλωσε:
«Τα πολωτικά μπορούν να προκύψουν όταν η σύζευξη μεταξύ περιορισμένου φωτός και ύλης γίνεται ισχυρή. Συνήθως, η αλληλεπίδραση φωτός-ύλης είναι ασθενής και το φως απλώς δρα για να διαταράξει το υλικό και να αλλάξει την κβαντική του κατάσταση . Όταν είναι ισχυρή, το φως και η ύλη μπορούν να εμπλακούν και να σχηματίσουν μια νέα κατάσταση που να περιέχει και τα δύο.»
«Αυτές οι καταστάσεις -πολαριτόνια- έχουν από καιρό καθιερωθεί, αλλά αυτό που είναι νέο σε αυτή τη μελέτη είναι οι παρατηρήσεις των πολαριτονίων σε ένα υπερβολικό σύστημα. Έχουν προβλεφθεί εξωτικές νέες καταστάσεις που ονομάζονται υπερβολικές πολαριτονικές εξιτονίου (HEPs) και αυτή η μελέτη παρουσιάζει μια πειραματική υλοποίησή τους.»
Η καινοτομία και η βελτιστοποίηση οπτοηλεκτρονικών και φωτοβολταϊκών συσκευών, όπως οι δίοδοι εκπομπής φωτός, τα ηλιακά κύτταρα , οι ανιχνευτές ακτίνων Χ και άλλοι αισθητήρες, παρουσιάζουν ενδιαφέρον για τους ερευνητές και τους προγραμματιστές που εργάζονται για καλύτερη ενεργειακή απόδοση. Η καλύτερη απόδοση των συσκευών όπου η μετατροπή μεταξύ ύλης και φωτός βρίσκεται στην καρδιά της λειτουργίας τους, χρησιμοποιεί την διαθέσιμη ενέργεια πιο αποτελεσματικά και οδηγεί σε υψηλότερες ευαισθησίες.
«Η μελέτη μας δείχνει πολλά υποσχόμενες νέες οδούς για τον χειρισμό των εξιτονίων και του φωτός, οι οποίες μπορούν να βελτιώσουν τη λειτουργία των οπτοηλεκτρονικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων οδών προς μαγνητική, μη τοπική και κβαντική πολαριτονία», δήλωσε ο van Schilfgaarde.
Ενεργοποίηση υπερβολικής απεικόνισης πολαριτόνων εξιτονίου
Οι ερευνητές αξιοποίησαν τη μοναδική γεωμετρία των ημιαγωγών για να απεικονίσουν τελικά τα HEP, τα οποία ήταν τεχνικά δυσεύρετα. Οι μικροκοιλότητες – ανακλαστικά κάτοπτρα που διασφαλίζουν τη σύζευξη – στους ημιαγωγούς είναι αποτελεσματικές στην παγίδευση και σταθεροποίηση του φωτός για την επίτευξη πολαριτόνων εξιτονίων. Οι πλάκες ημιαγωγών van der Waals επιτρέπουν στα εξιτόνια στον ημιαγωγό να αλληλεπιδρούν έντονα με το φως. Αυτή η γεωμετρία προσφέρεται για νανοοπτικές τεχνικές ή/και απεικόνιση νανοκλίμακας.
Για να επιτευχθεί αυτή η ισχυρή σύζευξη, απαιτούνται κρυογονικές θερμοκρασίες στα περισσότερα υλικά van der Waals. Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα κρυογονικό μικροσκόπιο εγγύς υπέρυθρου, εγγύς πεδίου για να επιτρέψουν την απεικόνιση HEP στον ημιαγωγό van der Waals, CrSBr. Αυτό το υλικό van der Waals είναι μοναδικό επειδή τα εξιτόνια εμφανίζουν τόσο ισχυρή ισχύ ταλαντωτή, που είναι ο μηχανισμός που επιτρέπει την απορρόφηση και την εκπομπή ηλεκτρονίων, όσο και μικρούς ρυθμούς σκέδασης, που περιορίζουν τη διάρκεια ζωής.
«Αυτή ήταν η πρώτη φορά που χρησιμοποιήθηκε ένα κρυογονικό μικροσκόπιο εγγύς υπέρυθρου, εγγύς πεδίου σε μια δημοσιευμένη μελέτη», δήλωσε ο Frank Ruta, διδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Columbia και συν-συγγραφέας της εργασίας.
«Χρησιμοποιήσαμε εγγύς υπέρυθρο φως σε αυτά τα πειράματα, το οποίο έχει μικρότερο μήκος κύματος από το μέσο υπέρυθρο φως, καθιστώντας την ευθυγράμμιση των οπτικών πιο δύσκολη. Η ευθυγράμμιση σε χαμηλή θερμοκρασία σε ένα εξαιρετικά υψηλό κενό παρουσιάζει ακόμη περισσότερες δυσκολίες. Αυτές οι πειραματικές συνθήκες είναι απαραίτητες για την παρατήρηση των HEP, ωστόσο, καθώς το CrSBr γίνεται υπερβολικό μόνο σε χαμηλή θερμοκρασία και στο εγγύς υπέρυθρο».
Ο Van Schilfgaarde και η ερευνήτρια υπολογιστικής επιστήμης του NREL, Swagata Acharya, δημιούργησαν ένα ισχυρό, χωρίς παραμέτρους θεωρητικό πλαίσιο για μαγνήτες τόσο στις διατεταγμένες όσο και στις αταξίες παραλλαγές τους – μια προσέγγιση που αντιπροσωπεύει μια σημαντική αλλαγή στην εξερεύνηση του ρόλου της μετάβασης τάξης-αταξίας στα μαγνητικά εξιτόνια.
Αυτό το μοντέλο μπορεί να περιγράψει τα εξιτόνια ενός μαγνήτη τόσο πάνω όσο και κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία που ονομάζεται θερμοκρασία Néel. Αυτό είναι σημαντικό επειδή όταν τα σπιν διαταράσσονται πάνω από τη θερμοκρασία Néel, τα εξιτόνια γίνονται πιο σκούρα – και πολλές από τις θεμελιώδεις ιδιότητες των HEP εξαρτώνται από το πόσο φωτεινά είναι αυτά τα εξιτόνια.
«Δημιουργήσαμε μια φυσική εικόνα που δείχνει ότι η φωτεινότητα του εξιτονίου επηρεάζεται από τη θερμοκρασία Néel», είπε ο Acharya. «Αυτή η αρχή θα πρέπει να ισχύει για μια μεγάλη κατηγορία μαγνητών van der Waals και δεν περιορίζεται μόνο στο CrSBr».
Παρατήρηση υπερβολικών πολαριτόνων εξιτονίων σε νανοκλίμακα
Η ομάδα επαλήθευσε, μέσω του κρυογονικού μικροσκοπίου εγγύς υπέρυθρου, εγγύς πεδίου, ότι η ισχυρή σύζευξη μεταξύ εξιτονίων και πολαριτονίων συμβαίνει κατευθυντικά στο CrSBr σε θερμοκρασία δωματίου. Οι ερευνητές πρότειναν ότι αυτή η μαγνητοηλεκτρονική σύζευξη είναι εν μέρει υπεύθυνη για την υπερβολικότητα στο CrSBr (αν και αυτή η υπερβολικότητα εμφανίζεται μόνο σε χαμηλή θερμοκρασία).
Στο πείραμα απεικόνισης, η ερευνητική ομάδα διαφοροποίησε τη θερμοκρασία, το πάχος των μικροκρυστάλλων και την ενεργειακή εξάρτηση των υποδιθθματικών κροσσών (όπου τα κύματα εξαπλώνονται γύρω και μακριά από τα εμπόδια) για να αποκαλύψει τις ιδιότητες των HEP.
«Τα HEP μπορούν να περιορίσουν το φως στους ημιαγωγούς σε χωρικές διαστάσεις κάτω από τα συμβατικά όρια περίθλασης, επιτρέποντάς μας να μικρογραφήσουμε τις οπτοηλεκτρονικές διεγερτικές συσκευές πέρα από τα όρια που μας επιβάλλει κανονικά το φως», δήλωσε ο Ruta.
«Ωστόσο, τα HEP που παρατηρούνται στο CrSBr εξακολουθούν να είναι πολύ απωλεστικά για να είναι πρακτικά. Η πρόκληση για τους ερευνητές τώρα είναι να καταλάβουν πώς να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής των HEP. Η ενσωμάτωση του CrSBr σε μια συντονισμένη κοιλότητα είναι μια πολλά υποσχόμενη οδός ή μπορούμε να αναζητήσουμε υλικά με ακόμη ισχυρότερους συντονισμούς εξιτονίων».
«Αυτό το χειρόγραφο χαρακτήρισε επίσης, για πρώτη φορά, πώς η διαταραχή του σπιν τροποποιεί τα εξιτόνια, χωρίς να καταφεύγει σε υποθέσεις μοντέλου», δήλωσε ο van Schilfgaarde. «Έχοντας αποτελέσματα βασισμένα σε μια αυστηρή θεωρία, κατέστη δυνατή η ερμηνεία του πειράματος με βάση μια απλή εικόνα, όπου η μαγνητική τάξη απομακρύνει τα εξιτόνια και βοηθά στην ώθηση του CrSBr στην υπερβολική μετάβαση».
Περισσότερες πληροφορίες: Francesco L. Ruta et al, Υπερβολικά πολαριτόνια εξιτονίου σε μαγνήτη van der Waals, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-44100-6
Πληροφορίες περιοδικού: Nature Communications
Παρέχεται από το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας
