Впервые в мире группа под руководством физика из Городского университета Гонконга (CityU) обнаружила, что экситоны — возбужденные электроны, связанные с пустыми электронными «дырками» — могут стабильно существовать и быстро перемещаться в металле. Поскольку экситоны могут генерироваться энергией света и не имеют электрического заряда, это открытие делает их потенциальными кандидатами в качестве высокоскоростной альтернативы свободным электронам в качестве носителя цифровой информации.
Экситоны образуются, когда определенные материалы поглощают энергию света для возбуждения электронов, отрицательно заряженных частиц в атомах. Электроны переходят на более высокий энергетический уровень, чтобы оставить положительно заряженные пространства или «дыры» в их исходном положении. Благодаря электростатическому притяжению дырка и возбужденный электрон могут спариваться без рекомбинации, образуя экситон, который ведет себя как незаряженная частица.
«Когда электрон экситона рекомбинирует с дыркой, энергия излучается в виде света, который можно использовать для передачи данных в оптоэлектронной промышленности», — говорит соруководитель группы доктор Ма Цзюньчжан, доцент кафедры физики CityU. «Экситоны были бы лучшими носителями информации, чем свободные электроны , чей отрицательный заряд замедляет их, но экситоны очень нестабильны, особенно в металлах. Фактически, до нашего исследования считалось, что стабильные и подвижные экситоны невозможны в металлах».
Исследователям удалось генерировать и обнаружить экситоны в металле благодаря сочетанию оптимальных условий испытаний и уникальных характеристик выбранного ими материала, триселенида тантала, TaSe 3 . Исследование возглавляли CityU и Институт Пауля Шеррера (PSI) в Швейцарии, а результаты были опубликованы в Nature Materials в статье под названием «Множественные мобильные экситоны, проявляющиеся в виде боковых полос в квазиодномерном металлическом TaSe 3 ». Совместными авторами статьи были д-р Ма Цзюньчжан, профессор Ши Мин и д-р Маркус Мюллер из PSI. Среди сотрудников были исследователи из Университета Рутгерса, Принстонского университета, Стэнфордского университета и других учреждений.
Важность экситонов как надежных носителей информации
Ожидается, что экситон будет играть важную роль в передаче информации в будущем благодаря нейтральности заряда и способности перемещаться в твердом теле. В отличие от отрицательно заряженных свободных электронов, экситоны не сдерживаются внешними электрическими полями, магнитными полями и дефектами в окружающем материале.
«Экситоны потенциально являются более надежными и эффективными носителями информации, чем свободно проводящие электроны, которые сегодня передают нашу информацию», — говорит доктор Ма. «Несмотря на то, что экситоны были обнаружены в полупроводниках и использовались для разработки полевых транзисторов , фототранзисторов, светоизлучающих диодов и солнечных элементов в лаборатории, почти все экспериментально наблюдаемые экситоны движутся очень медленно, что сильно ограничивает их эффективность в передаче информации.»
Что наиболее важно, экситоны остались неуловимыми в металлах. О них редко сообщают для металлов из-за обилия свободных проводящих электронов. Эти свободные электроны ослабляют притяжение между любой сингулярной дыркой и электроном (известное как экранирование), тем самым подавляя образование экситонов. Любые экситоны, способные образовываться в металлах, слишком нестабильны для практического использования и даже экспериментального наблюдения.
Обычные оптические эксперименты по обнаружению экситонов также имеют серьезные технические ограничения.
Но теперь, используя мощный и чувствительный метод, называемый фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением (или ARPES), для анализа электронной зонной структуры в кристаллическом твердом теле с особыми свойствами (TaSe 3 ), команда CityU и PSI совершила прорыв в исследовании. экситонов в металлах. А именно, они обнаружили существование устойчивых экситонов, движущихся с высокой скоростью через металл.
Экспериментальная конструкция
В своем стремлении найти стабильные экситоны в металлах исследовательская группа обратилась к металлическому соединению TaSe 3 из- за его низкой плотности свободных электронов и, следовательно, плохого экранирующего эффекта, чтобы максимизировать вероятность образования экситонов. Кроме того, TaSe 3 состоит из уложенных друг на друга слоев параллельных треугольных цепочек селеновых призм, окружающих атомы металлического тантала (рис. 2). Таким образом, он ведет себя как одномерный металл, позволяя экситонам двигаться по определенному прямому пути, потому что одномерные цепи подобны рельсам высокоскоростного поезда.
Команда предсказала, что так называемая квазиодномерность TaSe 3 усилит притяжение между электронами и дырками внутри экситонов, но при этом позволит двум заряженным компонентам находиться в разных слоях и цепочках. Таким образом, дырки и электроны будут отделены друг от друга и не будут смешиваться, что предотвратит аннигиляцию экситонов и продлит их время жизни.
Используя ARPES, исследователи систематически регистрировали электронную структуру TaSe 3 . Прибор направил на образец узкий пучок высокоэнергетического света, чтобы возбудить электроны, чтобы они убежали в вакуум, при этом активировав экситоны в TaSe 3 (рис. 3). Оборудование ARPES проанализировало углы и энергию вылетевших электронов, чтобы получить информацию о наличии, структуре и движении экситонов.
Новая теоретическая модель мобильных экситонов
Исключив другие вероятные механизмы, команда пришла к выводу, что все наблюдаемые явления в их экспериментах ARPES могут быть хорошо объяснены наличием нескольких стабильных подтипов мобильных экситонов, движущихся с высокой скоростью в одном измерении. Затем доктор Мюллер в сотрудничестве с физиком-теоретиком профессором Кристофером Мадри из PSI разработал полную теоретическую модель подвижных экситонов в одномерных металлах. Теоретическая модель показала хорошее согласие с результатами экспериментов.
Важной особенностью модели является объяснение обнаруженных множественных подтипов экситонов (рис. 4). Команда пришла к выводу, что экситоны в TaSe 3 обладают как минимум тремя различными внутренними структурами в зависимости от двух переменных. Первая переменная связана с тем, связывается ли дырка с одним электроном (образуя экситон) или с двумя электронами (образуя трион). Вторая переменная заключается в том, принадлежат ли дырки и электроны одной и той же цепи TaSe 3 и перемещаются по ней (что приводит к внутрицепочечным экситонам) или соседним цепочкам (что приводит к межцепочечным экситонам и межцепочечным трионам).
Полученные результаты важны, так как ранее считалось, что стабильные экситоны не могут существовать в металлах. Исследование также впервые продемонстрировало, что экситоны могут быстро перемещаться внутри металла в определенном направлении, что на практике увеличивает эффективность передачи данных . Кроме того, группа экспериментально показала, что некоторыми свойствами экситонов в TaSe 3 можно управлять и контролировать путем модификации поверхности (электронного легирования) парами калия.
Полученные данные и новая теоретическая модель не только обеспечивают дорожную карту для дальнейшего изучения экситонов, особенно в металлах, но и способствуют их применению в качестве высокоскоростных носителей информации в проводниковых устройствах в будущем.
«Наша работа прокладывает путь к созданию высокоскоростных, но настраиваемых мобильных экситонов в металлах», — говорит доктор Ма. «Эта новая область и направление будут способствовать развитию исследований и разработок в области вычислительных и коммуникационных устройств, передающих оптоэлектронную информацию».
