Para que a aniquilação exciton-exciton ocorra, dois excitons devem interagir um com o outro. Essas interações são bem caracterizadas para sistemas 1-D e 2-D. Em um sistema 1-D, podemos pensar nas interações exciton ocorrendo como crianças em idade escolar conversando em um ônibus. Por exemplo, exciton 4 pode interagir com seus vizinhos, exciton 3 ou 5, mas não pode interagir com o exciton 1 e 2 devido à restrição de espaço. Em um sistema 2-D, como crianças em idade escolar em um parquinho, exciton 4 agora pode se mover livremente em ambas as dimensões, e pode interagir com qualquer outro exciton - por exemplo, exciton 2 ou 5. Os cientistas pretendem descobrir como as interações ocorrem no fosforeno, um sistema quase-1-D. Crédito:OIST
Desde sua descoberta em 2014, o fosforeno - uma folha de átomos de fósforo com apenas um átomo de espessura - intrigou os cientistas devido à sua anisotropia optoeletrônica única. Em outras palavras, os elétrons interagem com a luz e se movem apenas em uma direção. Essa anisotropia significa que, apesar de ser bidimensional (2-D), o fosforeno mostra uma mistura de propriedades encontradas em materiais unidimensionais (1-D) e 2-D. Os cientistas acreditam que a natureza distinta quase-1-D do fosforeno pode ser explorada para desenvolver novos, dispositivos optoeletrônicos inovadores, de LEDs a células solares.
Agora, cientistas da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) lançaram luz sobre como os excitons - um estado excitado da matéria no centro da optoeletrônica - se movem e interagem dentro do fosforeno.
"Por causa da anisotropia, excitons se comportam de uma maneira realmente única no fósforo em comparação com outros materiais 2-D, que estamos apenas começando a entender, "disse Vivek Pareek, Ph.D. aluno e primeiro autor do estudo, publicado em Cartas de revisão física .
Excitons são formados quando um material absorve um fóton, fazendo com que um elétron seja excitado para um estado de energia superior. Isso deixa um "buraco" carregado positivamente onde o elétron costumava residir em seu estado de energia inicial, que é atraído pelo elétron excitado carregado negativamente. O par elétron-buraco resultante - o exciton - pode então se mover através do material e interagir com outros excitons.
Mas os excitons têm vida curta, e com o tempo, elétrons excitados "caem" de volta nos buracos. Para fazer isso, excitons podem emitir um fóton - um processo chamado recombinação radiativa - ou podem colidir uns com os outros, transferência de calor para o material - uma recombinação não radiativa chamada aniquilação exciton-exciton.
"Interação exciton-exciton, ou aniquilação, é muito diferente em sistemas 1-D e 2-D, "explicou Pareek." Podemos, portanto, usar a aniquilação exciton-exciton como uma ferramenta para sondar a natureza das interações no fosforeno quase-1-D. "
Em baixa densidade de excitons, as interações ocorrem apenas em 1-D, ao longo da direção favorável. Em alta densidade de excitons, as interações ocorrem em 2-D, ao longo de ambas as direções. Crédito:OIST
Fosforeno de sondagem
Os cientistas usaram um laser para enviar dois pulsos de luz no fósforo - um pulso de bomba para excitar os elétrons para formar excitons, e um pulso de sonda para capturar a aniquilação exciton-exciton que ocorreu durante os primeiros cem picossegundos (trilionésimos de segundo). Ao alterar a potência do pulso da bomba, os pesquisadores alteraram a densidade inicial dos excitons formados.
A equipe descobriu que, à medida que a densidade do exciton aumentava, aniquilação exciton-exciton mudou de dimensão, mudando de 1-D para 2-D. Os pesquisadores mostram que essa mudança dimensional ocorreu devido às propriedades anisotrópicas do fosforeno, que surgem devido à estrutura incomum do material. Essa anisotropia faz com que os excitons se movam mais rapidamente em uma direção específica ao longo da rede e se movam mais lentamente na outra direção. Portanto, em baixas densidades de excitons, as interações entre excitons ocorreram predominantemente apenas em uma dimensão - ao longo da direção mais favorável. Mas quando a densidade do exciton foi aumentada, resultando em distâncias menores entre excitons, as interações começaram a ocorrer em ambas as dimensões.
Os cientistas também exploraram o efeito da temperatura na aniquilação exciton-exciton. Quando a equipe resfriou os flocos de fósforo, aniquilação exciton-exciton revertida de 2-D para 1-D, mesmo em altas densidades de excitons.
"Este estudo mostra que podemos controlar se a aniquilação exciton-exciton ocorre em uma ou duas dimensões, dependendo das condições que definimos, "disse o Dr. Julien Madéo, Cientista da equipe do OIST e co-autor do estudo. "Isso revela um novo, propriedade interessante do fosforeno, aumentando suas perspectivas como um novo material em dispositivos optoeletrônicos. "
