Anunciando o fim de uma jornada de uma década, em uma nova classe promissora de extremamente magras, semicondutores bidimensionais, os cientistas, pela primeira vez, visualizaram e mediram diretamente partículas elusivas, chamados excitons escuros, que não pode ser visto pela luz.

A técnica poderosa, descrito no jornal principal Ciência , poderia revolucionar a pesquisa em semicondutores bidimensionais e excitons, com profundas implicações para futuros dispositivos tecnológicos, de células solares e LEDs a smartphones e lasers.

Excitons são estados excitados da matéria encontrados nos semicondutores - um ingrediente-chave em muitas tecnologias atuais. Eles se formam quando os elétrons no material semicondutor são excitados pela luz para um estado de energia superior, deixando para trás um "buraco" no nível de energia onde o elétron residia anteriormente.

"Os buracos são a ausência de um elétron, e assim carrega a carga oposta para um elétron, "explicou o autor sênior, Professor Keshav Dani, que lidera a Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo na Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST). "Essas cargas opostas atraem, e elétrons e lacunas se unem para formar excitons que podem então se mover por todo o material. "

Em semicondutores regulares, excitons são extintos em menos de alguns bilionésimos de segundo após a criação. Além disso, eles podem ser 'frágeis, "tornando-os difíceis de estudar e manipular. Mas, há cerca de uma década, cientistas descobriram semicondutores bidimensionais, onde os excitons são mais robustos.

"Excitons robustos dão a esses materiais propriedades realmente únicas e emocionantes, então, tem havido muitos estudos intensos em todo o mundo com o objetivo de usá-los para criar novos dispositivos optoeletrônicos, "disse o co-primeiro autor Dr. Julien Madéo, cientista da equipe da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo OIST. "Mas no momento, há uma grande limitação com a técnica experimental padrão usada para medir excitons. "

Atualmente, pesquisadores usam técnicas de espectroscopia óptica - essencialmente medindo quais comprimentos de onda de luz são absorvidos, refletido ou emitido pelo material semicondutor - para descobrir informações sobre os estados de energia dos excitons. Mas a espectroscopia óptica captura apenas uma pequena parte da imagem.

Os cientistas sabem há muito tempo que apenas um tipo de exciton, chamados excitons brilhantes, pode interagir com a luz. Mas também existem outros tipos de excitons, incluindo excitons negros de momentum proibidos. Neste tipo de exciton escuro, os elétrons têm um momento diferente dos buracos aos quais estão ligados, o que os impede de absorver a luz. Isso também significa que os elétrons nos excitons escuros têm um momento diferente dos elétrons nos excitons brilhantes.

"Nós sabemos que eles existem, mas não podemos vê-los diretamente, não podemos investigá-los diretamente, e, portanto, não sabemos o quão importante eles são, ou quanto eles impactam as propriedades optoeletrônicas do material, "disse o Dr. Madéo.

Luz brilhando em excitons escuros

Para visualizar excitons escuros pela primeira vez, os cientistas modificaram uma técnica poderosa que anteriormente tinha sido amplamente usada para estudar solteiros, elétrons não ligados.

"Não estava claro como essa técnica funcionaria para excitons, que são partículas compostas em que os elétrons estão ligados. Houve muito trabalho teórico na comunidade científica discutindo a validade desta abordagem, "disse o Prof. Dani.

Seu método propôs que se um feixe de luz contendo fótons de energia alta o suficiente fosse usado para atingir os excitons no material semicondutor, a energia dos fótons separaria os excitons e chutaria os elétrons para fora do material.

Ao medir a direção em que os elétrons voam para fora do material, os cientistas seriam então capazes de determinar o momento inicial dos elétrons quando eles eram parte dos excitons. Os cientistas, portanto, não só seriam capazes de ver, mas também diferenciar, os excitons brilhantes dos excitons escuros.

Mas a implementação dessa nova técnica exigiu a solução de alguns desafios técnicos enormes. Os cientistas precisavam gerar pulsos de luz com fótons ultravioleta extremos de alta energia, capazes de dividir os excitons e expulsar os elétrons do material. O instrumento então precisava ser capaz de medir a energia e o ângulo desses elétrons. Avançar, uma vez que os excitons têm vida tão curta, o instrumento teve que funcionar em escalas de tempo de menos de um mil bilionésimo de segundo. Por último, o instrumento também exigia resolução espacial alta o suficiente para medir as amostras de semicondutores 2-D, que normalmente estão disponíveis apenas em tamanhos de escala mícron.

"Quando resolvemos todos os problemas técnicos, e ligou o instrumento, basicamente lá na nossa tela estavam os excitons - foi realmente incrível, "disse o co-primeiro autor Dr. Michael Man, também da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundo OIST.

Os pesquisadores viram que, como previsto, havia excitons brilhantes e escuros presentes no material semicondutor. Mas para sua surpresa, os cientistas também descobriram que excitons escuros dominavam o material, superando os excitons brilhantes. A equipe observou ainda que, sob certas condições, à medida que os elétrons excitados se espalhavam por todo o material e mudavam o momento, os excitons podem mudar entre claros ou escuros.

"O domínio dos excitons escuros e a interação entre os excitons escuros e brilhantes sugerem que os excitons escuros impactam esta nova classe de semicondutores ainda mais do que o previsto, "disse o Dr. Madéo.

Esta técnica é um verdadeiro avanço, "concluiu o Prof. Dani." Não só fornece a primeira observação de excitons escuros e ilumina suas propriedades, mas inaugura uma nova era no estudo de excitons e outras partículas excitadas. "