Intrappolati in una gabbia magnetica
Scoperto un meccanismo sorprendentemente efficiente con cui è possibile limitare il movimento degli elettroni a una sola dimensione
Il controllo dell'interazione degli elettroni nei semiconduttori è fondamentale per lo sviluppo di componenti elettronici e ottici. I fisici dell'Università di Regensburg hanno ora scoperto un nuovo meccanismo sorprendentemente efficiente con cui è possibile variare l'interazione tra gli elettroni e limitarne il movimento a una dimensione: l'ordine magnetico.
L'allineamento di spin antiparallelo in strati vicini del cristallo magnetico CrSBr limita gli eccitoni fortemente legati a una dimensione, per cui le energie di legame all'interno e sulla superficie del cristallo sono molto diverse.
Brad Baxley
L'elettronica e l'optoelettronica del futuro dipendono più che mai da componenti ultracompatti. Gli strati atomicamente sottili dei cosiddetti dicalcogenuri di metalli di transizione, che possono essere rimossi dai cristalli sfusi con un nastro adesivo, sono quindi al centro della ricerca sullo stato solido da diversi anni. Poiché gli elettroni in questi strati ultrasottili possono spostarsi l'uno dall'altro solo in due dimensioni, la loro interazione è particolarmente forte. Ciò è particolarmente evidente nelle proprietà ottiche. Quando la luce colpisce questi materiali, gli elettroni possono essere eccitati e lasciare un difetto con carica positiva, un cosiddetto buco, nella loro posizione originale.
Grazie alla loro carica opposta, l'elettrone può orbitare intorno alla buca e formare così uno stato legato simile a quello di un atomo, un cosiddetto eccitone. Queste particelle conferiscono al materiale proprietà ottiche completamente nuove, che possono essere personalizzate attraverso aggiustamenti strutturali come l'impilamento di diversi strati atomicamente sottili - prospettive allettanti per lo sviluppo di celle solari e LED sottili come un wafer. Tuttavia, le applicazioni pratiche basate su questi materiali sono state finora difficili da realizzare, poiché gli attuali metodi di produzione di strati atomici non sono compatibili con la produzione industriale di massa.
Un team internazionale di fisici di Regensburg, Ann Arbor, Praga e Dresda, alla ricerca di modi alternativi per confinare e controllare spazialmente gli elettroni, ha ora scoperto un nuovo meccanismo nello straordinario materiale solfuro di cromo bromuro (CrSBr) che non si basa su adattamenti strutturali. Il materiale CrSBr ha una struttura a strati in cui gli spin degli elettroni - una proprietà quantomeccanica che genera un momento magnetico - sono tutti allineati lungo una direzione all'interno di uno strato atomicamente sottile. La direzione degli spin degli strati vicini dipende dalla temperatura circostante. Se gli spin di due strati vicini sono allineati in modo antiparallelo, si potrebbe limitare il movimento degli elettroni a un singolo strato atomico, formando così una "gabbia magnetica".
Per verificare questa ipotesi, il team del Prof. Rupert Huber di Regensburg ha utilizzato lampi laser ultracorti, della durata di pochi femtosecondi - centomila miliardi di volte più veloci di un battito di ciglia - per eccitare gli eccitoni nel materiale. Un secondo impulso di luce ultrabreve, selezionato nella regione dell'infrarosso medio dello spettro elettromagnetico, ha sondato i livelli energetici simili a quelli atomici degli eccitoni, eccitando transizioni specifiche tra orbitali diversi.
Con questo metodo, che può essere immaginato come una telecamera al rallentatore, i ricercatori hanno studiato il comportamento degli eccitoni. Ciò ha permesso di capire l'energia di legame, il movimento e la durata di vita degli eccitoni e di controllare la forza di legame degli eccitoni in un cristallo di CrSBr. I cristalli di alta qualità necessari a questo scopo sono stati coltivati dal team del Prof. Zdeněk Sofer a Praga. Variando sistematicamente la temperatura, il team di ricerca ha osservato un improvviso cambiamento nella struttura energetica degli eccitoni, che è direttamente correlata all'ordine magnetico del materiale.
Una complessa teoria quantistica, sviluppata dal gruppo del Prof. Mackillo Kira dell'Università del Michigan, ha analizzato questo spostamento di energia a livello microscopico. Hanno scoperto che la dimensionalità degli eccitoni è determinata dall'ordine magnetico. Come previsto, l'allineamento di spin antiparallelo a basse temperature porta gli elettroni e le buche a essere confinati all'interno di un singolo strato del materiale. In combinazione con la particolare struttura cristallina del CrSBr, questa "gabbia magnetica" limita ulteriormente il movimento degli eccitoni all'interno del piano. Di conseguenza, gli eccitoni sono essenzialmente confinati in una singola dimensione, il che porta ad alte energie di legame anche in cristalli con centinaia di strati. Tuttavia, con l'aumento della temperatura, l'allineamento degli spin si perde, rompendo la gabbia magnetica. Gli eccitoni possono di nuovo muoversi liberamente lungo tutte le dimensioni spaziali e diffondersi su più strati, riducendo drasticamente la loro energia di legame e prolungando al contempo la loro vita.
"È stato affascinante vedere come siamo riusciti a cambiare bruscamente il comportamento di questi eccitoni raffreddando il materiale. Per assicurarci che questo comportamento fosse chiaramente dovuto alla transizione di fase magnetica, in un altro esperimento abbiamo applicato un campo magnetico esterno. Questo ci ha permesso di controllare effettivamente la temperatura di apertura della gabbia magnetica", spiega Marlene Liebich, primo autore dello studio. "L'ordinamento magnetico fornisce un nuovo controllo per personalizzare gli eccitoni e le loro interazioni. Questo potrebbe cambiare in modo significativo le future tecnologie elettroniche e informatiche", aggiunge il dottor Niloufar Nilforoushan, uno degli autori dello studio.
Una seconda pubblicazione insieme a colleghi di Dresda, New York e Praga, apparsa contemporaneamente sulla rivista scientifica Nature Materials, completa in modo eccellente questi risultati. In questo studio, il confinamento magnetico degli eccitoni è stato dimostrato utilizzando un metodo di misurazione diverso, in cui è stata analizzata la luce riflessa dalla superficie del campione. Il dottor Florian Dirnberger, autore di entrambe le pubblicazioni, è entusiasta: "Sorprendentemente, il confinamento magnetico è così efficace che è possibile distinguere gli eccitoni in diversi strati atomicamente sottili del materiale". In effetti, il team ha scoperto che gli eccitoni hanno proprietà significativamente diverse sulla superficie rispetto all'interno del materiale.
Questi risultati aprono interessanti possibilità per i futuri dispositivi spintronici e per il controllo mirato delle transizioni di fase, una prospettiva unica per le tecnologie di elaborazione delle informazioni. Gli eccitoni di superficie appena osservati potrebbero anche contribuire in modo significativo a questi progressi, poiché le loro diverse proprietà sono particolarmente importanti per le applicazioni dei sensori.
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Pubblicazione originale
M. Liebich, M. Florian, N. Nilforoushan, F. Mooshammer, A. D. Koulouklidis, L. Wittmann, K. Mosina, Z. Sofer, F. Dirnberger, M. Kira, R. Huber; "Controlling Coulomb correlations and fine structure of quasi-one-dimensional excitons by magnetic order"; Nature Materials, 2025-2-19
Yinming Shao, Florian Dirnberger, Siyuan Qiu, Swagata Acharya, Sophia Terres, Evan J. Telford, Dimitar Pashov, Brian S. Y. Kim, Francesco L. Ruta, Daniel G. Chica, Avalon H. Dismukes, ... Rupert Huber, Xiaoyang Zhu, Xavier Roy, Mark van Schilfgaarde, Alexey Chernikov, D. N. Basov; "Magnetically confined surface and bulk excitons in a layered antiferromagnet"; Nature Materials, 2025-2-19
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