Uma equipe de pesquisa descobriu a dinâmica da transição do exciton claro-escuro no TiO anatase₂ . Suas descobertas foram publicadas no Proceedings of the National Academy of Sciences .



Os excitons, quase-partículas formadas pela ligação de elétrons e buracos em sistemas de matéria condensada por meio da interação de Coulomb, exibem propriedades distintas como excitons brilhantes e escuros. Embora os excitons brilhantes se acoplem diretamente à luz e desempenhem um papel fundamental na absorção de luz, os excitons escuros, com suas vidas relativamente mais longas, têm importância no processamento de informações quânticas, na condensação de Bose-Einstein e na coleta de energia luminosa.

O estudo foi liderado pelo Prof. Zhao Jin e pelo Prof. Associado Zheng Qijing da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC), em colaboração com Hrvoje Petek, professor da Universidade de Pittsburgh.

O estudo, usando GW mais a equação de Bethe-Salpeter em tempo real, combinada com dinâmica molecular não adiabática (GW + rtBSE-NAMD), explorou a dinâmica de formação de excitons escuros brilhantes opticamente excitados a fortemente ligados e proibidos de momento em anatase TiO ₂ (um material semicondutor conhecido por suas excepcionais capacidades de absorção de luz e sua capacidade de ativar excitons brilhantes sob excitação luminosa). Devido à natureza indireta do gap do material, os excitons brilhantes finalmente relaxam nas bordas da banda, formando excitons escuros.

A transição de excitons claro-escuro exibiu um novo caminho ao considerar os efeitos de muitos corpos dentro dos excitons - a interação entre elétrons e buracos. Esta revelação revelou uma escala de tempo estendida para o processo de transição, onde excitons brilhantes se transformam em excitons escuros em aproximadamente 100 femtossegundos, várias vezes mais rápido do que se entendia anteriormente. Crucialmente, os efeitos de muitos corpos nos excitons desempenharam um papel fundamental durante esta transição.

Este estudo esclarece como a dinâmica excitônica dos materiais semicondutores é afetada pelas interações de muitos corpos, oferecendo insights cruciais para o projeto de dispositivos baseados em luz e materiais energéticos. Também exemplifica os esforços colaborativos e abordagens computacionais inovadoras para desvendar a intrincada dinâmica dos excitons, abrindo caminho para avanços na ciência e tecnologia de materiais.

Mais informações: Aolei Wang et al, Transição ultrarrápida de excitons claro-escuro de muitos corpos em anatase TiO₂ , Anais da Academia Nacional de Ciências (2023). DOI:10.1073/pnas.2307671120
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

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