Além de serem “o melhor amigo 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.



Esses elétrons extras – ou buracos – não participam da ligação atômica, mas às vezes se ligam a excitons – quase partículas que consistem em um elétron e um buraco de elétron – em semicondutores e outras matérias condensadas.

A dopagem pode causar mudanças físicas, mas a forma como o complexo exciton – um estado ligado de dois buracos com carga positiva e um elétron com carga negativa – se manifesta em diamantes dopados com boro ainda não foi confirmado. Existem duas interpretações conflitantes sobre a estrutura do exciton.

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 das medições convencionais de luminescência, 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. "Esta estrutura de excitons ligados ao aceitador produziu 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.

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.

"Nossos resultados fornecem insights úteis sobre as interações spin-órbita em sistemas além dos materiais de 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.

O trabalho está publicado na revista Physical Review Letters .

Mais informações: Shinya Takahashi et al, Spin-Orbit Effects on Exciton Complexes in Diamond, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.096902
Fornecido pela Universidade de Kyoto