Espectros de absorção óptica altamente precisos do diamante revelam divisão ultrafina. Crédito: KyotoU/Nobuko Naka
Espectros de absorção óptica altamente precisos do diamante revelam divisão ultrafina.
Além de serem “os melhores amigos das meninas”, os diamantes têm amplas aplicações industriais, como na eletrônica de estado sólido. Novas tecnologias visam produzir cristais sintéticos de alta pureza que se tornem excelentes semicondutores quando dopados com impurezas como doadores de elétrons ou aceitadores de outros elementos.
A Ciência do Doping
Esses elétrons extras – ou buracos – não participam da ligação atômica, mas às vezes se ligam a éxcitons — quase-partículas constituídas por um elétron e um buraco de elétron — em semicondutores e outras matérias condensadas. O doping pode causar alterações físicas, mas como o complexo de exciton – um estado ligado de dois buracos com carga positiva e um elétron com carga negativa – manifestado em diamantes dopados com boro não foi confirmado. Existem duas interpretações conflitantes sobre a estrutura do exciton.
Pesquisa inovadora sobre excitons
Uma equipe internacional de pesquisadores liderada pela Universidade de Kyoto determinou agora a magnitude da interação spin-órbita em excitons ligados ao aceitador em um semicondutor.
“Rompemos o limite de resolução de energia dos sistemas convencionais luminescência medições observando diretamente a estrutura fina dos excitons ligados no diamante azul dopado com boro, usando absorção óptica”, diz o líder da equipe, Nobuko Naka, da Escola de Pós-Graduação em Ciências da KyotoU.
“Nós levantamos a hipótese de que, em um exciton, dois buracos carregados positivamente estão mais fortemente ligados do que um par elétron-buraco”, acrescenta o primeiro autor Shinya Takahashi. “Essa estrutura de exciton ligada ao aceitador rendeu dois trigêmeos separados por uma divisão spin-órbita de 14,3 meV, apoiando a hipótese.”
A luminescência resultante da excitação térmica pode ser usada para observar estados de alta energia, mas este método de medição de corrente amplia as linhas espectrais e desfoca a divisão ultrafina.
Técnicas Avançadas e Direções Futuras
Em vez disso, a equipe de Naka resfriou o cristal de diamante a temperaturas criogênicas, obtendo nove picos no espectro de absorção ultravioleta profundo, em comparação com os quatro habituais usando luminescência. Além disso, os pesquisadores desenvolveram um modelo analítico incluindo o efeito spin-órbita para prever as posições de energia e intensidades de absorção.
“Em estudos futuros, estamos considerando a possibilidade de medir a absorção sob campos externos, levando a uma maior divisão e validação de linhas devido a mudanças na simetria”, diz Julien Barjon, da Université Paris-Saclay.
Implicações para a Ciência dos Materiais
“Nossos resultados fornecem informações úteis sobre as interações spin-órbita em sistemas além dos materiais do estado sólido, como a física atômica e nuclear. Uma compreensão mais profunda dos materiais pode melhorar o desempenho de dispositivos de diamante, como diodos emissores de luz, emissores quânticos e detectores de radiação”, observa Naka.
Referência: “Spin-Orbit Effects on Exciton Complexes in Diamond” por Shinya Takahashi, Yoshiki Kubo, Kazuki Konishi, Riadh Issaoui, Julien Barjon e Nobuko Naka, 26 de fevereiro de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.096902
