Nei materiali noti come isolanti antiferromagnetici di Mott, gli elettroni (sfere) sono organizzati in una struttura reticolare di atomi in modo tale che i loro spin puntino verso l’alto (blu) o verso il basso (rosa) in uno schema alternato. Questo è uno stato stabile in cui l’energia è ridotta al minimo. Quando il materiale viene colpito dalla luce, un elettrone salterà verso un sito atomico vicino, lasciando un buco carico positivamente dove una volta risiedeva (sfera scura). Se l’elettrone e la lacuna si allontanano ulteriormente l’uno dall’altro, la disposizione degli spin tra di loro viene disturbata – gli spin non puntano più in direzioni opposte rispetto a quelli vicini come visto nel secondo pannello – e questo costa energia. Per evitare questa perdita energetica, l’elettrone e la lacuna preferiscono rimanere vicini l’uno all’altro. Questo è il meccanismo di legame magnetico alla base dell’eccitone di Hubbard. Crediti: Caltech
Nell’arte, lo spazio vuoto in un dipinto può essere importante quanto il dipinto stesso. Qualcosa di simile vale per i materiali isolanti, dove gli spazi vuoti lasciati dagli elettroni svolgono un ruolo cruciale nel determinare le proprietà del materiale stesso.
Quando un elettrone carico negativamente viene eccitato dalla luce, se ne va lasciando una lacuna positiva. Poiché la lacuna e l’elettrone hanno carica opposta, sono attratti l’uno dall’altro e formano un legame. La coppia risultante, piuttosto effimera, è nota come eccitone.
Gli eccitoni sono una parte fondamentale di molte tecnologie, inclusi i pannelli solari, i fotorilevatori e i sensori, nonché i diodi emettitori di luce presenti nei televisori e negli schermi digitali. Nella maggior parte dei casi, le coppie di eccitoni sono legate da forze elettriche o elettrostatiche, note anche come interazioni di Coulomb. Ora, in un nuovo studio pubblicato su Nature Physics, i ricercatori del Caltech riferiscono di aver rilevato eccitoni che non sono legati dalle forze di Coulomb ma piuttosto dal magnetismo. Quello riportato nello studio è il primo esperimento per rilevare come si formano in tempo reale questi eccitoni, chiamati eccitoni di Hubbard, dal nome del defunto fisico John Hubbard.
«Utilizzando una sonda spettroscopica avanzata, siamo stati in grado di osservare in tempo reale la generazione e il decadimento degli eccitoni legati magneticamente, gli eccitoni di Hubbard», afferma il primo autore Omar Mehio, ricercatore presso il Kavli Institute della Cornell University. «Nella maggior parte degli isolanti, elettroni e lacune con carica opposta interagiscono tra loro proprio come un elettrone e un protone si legano per formare un atomo di idrogeno», spiega Mehio. «Tuttavia, in una classe speciale di materiali noti come isolanti di Mott, gli elettroni e le lacune fotoeccitate si legano invece attraverso interazioni magnetiche».
I risultati potrebbero avere applicazioni nello sviluppo di nuove tecnologie legate agli eccitoni (in un ambito che si definisce eccitonica), in cui gli eccitoni verrebbero manipolati attraverso le loro proprietà magnetiche. «Gli eccitoni di Hubbard e il loro meccanismo di legame magnetico dimostrano un drastico allontanamento dai paradigmi dell’eccitonica tradizionale, creando l’opportunità di sviluppare un intero ecosistema di nuove tecnologie che sono fondamentalmente non disponibili nei sistemi eccitonici convenzionali», afferma Mehio. «Avere eccitoni e magnetismo fortemente intrecciati in un unico materiale potrebbe portare a nuove tecnologie che sfruttano entrambe le proprietà».
Per creare gli eccitoni di Hubbard, i ricercatori hanno applicato la luce a un tipo di materiale isolante noto come isolante antiferromagnetico di Mott. Fa parte di una classe di materiali magnetici in cui gli spin degli elettroni sono allineati secondo uno schema ripetitivo e stabile. La luce eccita gli elettroni che saltano verso altri atomi, lasciandosi dietro delle lacune. «In questi materiali, quando un elettrone o una lacuna si muove attraverso il reticolo, lascia sulla sua scia una serie di eccitazioni magnetiche», dice Mehio. «Immaginate di legare un’estremità di una corda elastica attorno a un vostro amico e l’altra estremità attorno a voi stessi. Se il vostro amico scappa, sentirete la corda tirarvi in quella direzione e inizierete a seguirlo. Questo scenario è analogo a ciò che accade tra un elettrone fotoeccitato e la lacuna in un isolante di Mott. Con gli eccitoni di Hubbard, la stringa di eccitazioni magnetiche tra la coppia svolge lo stesso ruolo della corda che vi collega al vostro amico».
Per dimostrare l’esistenza degli eccitoni di Hubbard, i ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato spettroscopia al terahertz ultraveloce nel dominio del tempo, che ha permesso loro di cercare le firme di breve durata degli eccitoni su scale di energia molto bassa. «Gli eccitoni sono instabili perché gli elettroni vogliono tornare nelle lacune», spiega David Hsieh, ricercatore del Caltech e coautore dello studio. «Abbiamo un modo per sondare la breve finestra temporale prima che avvenga questa ricombinazione, e questo ci ha permesso di vedere che un fluido di eccitoni di Hubbard viene temporaneamente stabilizzato».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Physics l’articolo “A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator” di Omar Mehio, Xinwei Li, Honglie Ning, Zala Lenarčič, Yuchen Han, Michael Buchhold, Zach Porter, Nicholas J. Laurita, Stephen D. Wilson & David Hsieh