Les chercheurs de Caltech ont découvert les excitons de Hubbard, qui sont des excitons liés magnétiquement, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour les applications technologiques basées sur les excitons.
Les chercheurs de Caltech ont découvert les excitons de Hubbard, qui sont des excitons liés magnétiquement, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour les applications technologiques basées sur les excitons.
En art, l’espace négatif dans un tableau peut être tout aussi important que le tableau lui-même. Une situation similaire est vraie dans les matériaux isolants, où les espaces vides laissés par les électrons manquants jouent un rôle crucial dans la détermination des propriétés du matériau. Lorsqu’un électron chargé négativement est excité par la lumière, il laisse derrière lui un trou positif. Parce que le trou et l’électron sont chargés de manière opposée, ils sont attirés l’un vers l’autre et forment une liaison. La paire résultante, qui est de courte durée, est connue sous le nom d’exciton (prononcé exit-tawn).
Excitons dans la technologie
Les excitons font partie intégrante de nombreuses technologies, telles que les panneaux solaires, les photodétecteurs et les capteurs. Ils constituent également un élément clé des diodes électroluminescentes que l’on trouve dans les téléviseurs et les écrans d’affichage numérique. Dans la plupart des cas, les paires d’excitons sont liées par des forces électriques ou électrostatiques, également connues sous le nom d’interactions coulombiennes.
Maintenant, dans une nouvelle étude publiée dans Physique naturelle, les chercheurs de Caltech rapportent avoir détecté des excitons qui ne sont pas liés par les forces coulombiennes mais plutôt par le magnétisme. Il s’agit de la première expérience permettant de détecter comment ces excitons dits de Hubbard, du nom du regretté physicien John Hubbard, se forment en temps réel.
Dans les matériaux connus sous le nom d’isolants Mott antiferromagnétiques, les électrons (orbes) sont organisés dans une structure en treillis d’atomes de telle sorte que leurs spins pointent vers le haut (bleu) ou vers le bas (rose) selon un motif alterné. Il s’agit d’un état stable dans lequel l’énergie est minimisée. Lorsque le matériau est frappé par la lumière, un électron saute vers un site atomique voisin, laissant un trou chargé positivement là où il résidait autrefois (orbe sombre). Si l’électron et le trou s’éloignent l’un de l’autre, la disposition des spins entre eux est perturbée : les spins ne pointent plus dans des directions opposées à celles de leurs voisins, comme le montre le deuxième panneau, et cela coûte de l’énergie. Pour éviter cette pénalité énergétique, l’électron et le trou préfèrent rester proches l’un de l’autre. Il s’agit du mécanisme de liaison magnétique qui sous-tend l’exciton de Hubbard. Crédit : Caltech
« Grâce à une sonde spectroscopique avancée, nous avons pu observer en temps réel la génération et la désintégration d’excitons liés magnétiquement, les excitons de Hubbard », explique l’auteur principal de l’étude, Omar Mehio (PhD ’23), un récent étudiant diplômé de Caltech qui a travaillé sur avec David Hsieh, professeur de physique Donald A. Glaser à Caltech. Mehio est maintenant chercheur postdoctoral à l’Institut Kavli de Cornell.
« Dans la plupart des isolants, les électrons et les trous de charges opposées interagissent les uns avec les autres, tout comme un électron et un proton se lient pour former un atome d’hydrogène. atome», explique Mehio. « Cependant, dans une classe spéciale de matériaux appelés isolants Mott, les électrons et les trous photo-excités se lient par le biais d’interactions magnétiques. »
Omar Mehio. Crédit : Caltech
Applications et expériences potentielles
Les résultats pourraient avoir des applications dans le développement de nouvelles technologies liées aux excitons, ou excitoniques, dans lesquelles les excitons seraient manipulés via leurs propriétés magnétiques.
« Les excitons de Hubbard et leur mécanisme de liaison magnétique démontrent un changement radical par rapport aux paradigmes de l’excitonique traditionnelle, créant ainsi l’opportunité de développer tout un écosystème de technologies nouvelles qui sont fondamentalement indisponibles dans les systèmes excitoniques conventionnels », explique Mehio. « Le fait d’avoir des excitons et un magnétisme fortement liés dans un seul matériau pourrait conduire à de nouvelles technologies qui exploitent les deux propriétés. »
Pour créer les excitons de Hubbard, les chercheurs ont appliqué de la lumière à un type de matériau isolant appelé isolant Mott antiferromagnétique. Ce sont des matériaux magnétiques dans lesquels les spins des électrons sont alignés selon un motif stable et répétitif. La lumière excite les électrons, qui sautent vers d’autres atomes, laissant derrière eux des trous.
« Dans ces matériaux, lorsqu’un électron ou un trou traverse le réseau, il laisse dans son sillage une chaîne d’excitations magnétiques », explique Mehio. « Imaginez que vous attachiez une extrémité d’une corde élastique autour de votre ami et l’autre extrémité autour de vous-même. Si votre ami vous fuit, vous sentirez la corde vous tirer dans cette direction et vous commencerez à le suivre. Ce scénario est analogue à ce qui se passe entre un électron photo-excité et le trou qu’il laisse dans un isolant Mott. Avec les excitons Hubbard, la chaîne d’excitations magnétiques entre les deux joue le même rôle que la corde qui vous relie à votre ami.
David Hsieh. Crédit : Caltech
Pour démontrer l’existence des excitons de Hubbard, les chercheurs ont utilisé une méthode appelée spectroscopie térahertz ultrarapide dans le domaine temporel, qui leur a permis de rechercher les signatures de très courte durée des excitons à des échelles d’énergie très basses.
« Les excitons sont instables parce que les électrons veulent retourner dans les trous », explique Hsieh. « Nous disposons d’un moyen de sonder le court laps de temps avant que cette recombinaison ne se produise, ce qui nous a permis de voir qu’un fluide d’excitons de Hubbard est transitoirement stabilisé. »
L’étude a été financée par le Bureau de recherche de l’armée, la Fondation David et Lucile Packard, la National Science Foundation, l’Institut de Caltech pour l’information et la matière quantiques (un NSF Physics Frontiers Center), Caltech, la Fondation allemande pour la recherche, la Fondation Gordon et Betty Moore. , et l’Agence slovène de recherche. Parmi les autres auteurs figurent Xinwei Li, Honglie Ning (PhD ’23) et Nicholas Laurita, tous anciens de Caltech ; Yuchen Han, étudiant diplômé de Caltech ; Zala Lenarčič de l’Institut Jozef Stefan en Slovénie et de l’UC Berkeley ; Michael Buchhold de l’Université de Cologne en Allemagne (et ancien postdoctorant Caltech) ; et Zach Porter et Stephen Wilson de l’UC Santa Barbara.
