Físicos da Suíça e da Alemanha revelaram as impressões digitais da partícula há muito procurada, conhecida como exciton de Mahan, na resposta óptica à temperatura ambiente das populares perovskitas de haleto de chumbo de metilamônio.

As propriedades ópticas dos semicondutores são governadas pelos chamados "excitons, "que são pares ligados de elétrons negativos e buracos positivos. Excitons são importantes porque transportam energia (sem carga líquida) através dos materiais e, portanto, desempenham um papel crucial em uma série de dispositivos optoeletrônicos. A capacidade de controlar as propriedades excitônicas dos semicondutores (ajustando parâmetros como temperatura, pressão, densidade de carga, campos elétricos e magnéticos) é a chave para ampliar a gama e a diversidade de aplicações. Em particular, quando a densidade dos portadores de carga (elétrons e lacunas) aumenta, excitons tendem a derreter e um semicondutor eventualmente se transforma em um metal na chamada densidade de Mott.

Contudo, em 1967, Gerald Mahan previu que um tipo diferente de exciton ainda pode persistir acima da densidade de Mott. Apesar de anos de pesquisa, este chamado exciton de Mahan não foi observado, muito menos sob as condições normais de operação dos dispositivos.

Isso agora acaba de ser alcançado pelo grupo de Majed Chergui na EPFL, em colaboração com Alexander Steinhoff (Universidade de Bremen), Ana Akrap (Universidade de Friburgo), e o grupo de László Forró (EPFL). Publicando em Nature Communications , as equipes descobriram assinaturas de excitons de Mahan na muito popular perovskita orgânica-inorgânica de brometo de chumbo. Os pesquisadores mapearam como as propriedades ópticas do material se modificam em densidades crescentes de portadores de carga com uma resolução temporal de dezenas de femtossegundos (um femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de segundo). Excitons de Mahan emergiram nas propriedades ópticas com as características distintas previstas pela teoria.

O que é notável é que esta quasipartícula agora foi observada em uma perovskita de haleto de chumbo à temperatura ambiente, um semicondutor barato e abundante que é intensamente investigado para aplicações como fotovoltaica, materiais luminescentes, e lasers. As duas últimas aplicações dependem fortemente de altas densidades de portadores de carga. Além disso, no lado fundamental, essas descobertas aprofundam nosso conhecimento dos fenômenos de muitos corpos em sistemas de matéria condensada, pavimentando o caminho para o uso de perovskitas para a condensação de Bose-Einstein de estados híbridos de luz e excitons.

"Estávamos estudando como os excitons na perovskita reagem à presença de uma alta densidade de portadores de carga, "diz Edoardo Baldini (ex-aluno de Ph.D. na EPFL e agora pesquisador de pós-doutorado no MIT)." De repente, observamos uma característica espectroscópica que não podia ser explicada na estrutura de outros fenômenos conhecidos em semicondutores. "" Investigando a teoria. percebemos que poderia ter sido devido aos excitons previstos por Mahan há muito tempo, "acrescenta Tania Palmieri, o Ph.D. aluno que liderou o projeto. "Esta descoberta demonstra ainda que as perovskitas híbridas são materiais especiais não apenas para aplicações optoeletrônicas, mas também para revelar novos processos fundamentais."