Trong nghệ thuật, không gian âm trong một bức tranh cũng quan trọng như chính bức tranh và tình trạng tương tự cũng tồn tại trong các vật liệu cách điện, trong đó khoảng trống do các electron bị thiếu để lại đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu. Khi một electron tích điện âm bị kích thích bởi ánh sáng, nó sẽ để lại một lỗ trống tích điện dương. Vì lỗ trống và electron mang điện tích trái dấu nên chúng hút nhau và tạo thành liên kết. Cặp kết quả tồn tại trong thời gian ngắn và được gọi là exciton (phát âm là exit-tawn).
Exciton trong công nghệ
Exciton là một phần không thể thiếu của nhiều công nghệ, chẳng hạn như tấm pin mặt trời, bộ tách sóng quang và cảm biến. Chúng cũng là một phần quan trọng của điốt phát sáng được tìm thấy trong tivi và màn hình kỹ thuật số. Trong hầu hết các trường hợp, các cặp exciton liên kết với nhau bằng lực điện hoặc lực tĩnh điện, còn gọi là tương tác Coulomb.
Hiện nay, trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Vật lý Tự nhiên, các nhà nghiên cứu của Caltech báo cáo rằng các chất kích thích được phát hiện không bị ràng buộc bởi lực Coulomb mà bởi từ tính. Đây là thí nghiệm đầu tiên kiểm tra cái gọi là kích thích Hubbard (được đặt theo tên của nhà vật lý quá cố John Hubbard) hình thành như thế nào trong thời gian thực.
Trong một vật liệu gọi là chất cách điện Mott phản sắt từ, các electron (hình cầu) được sắp xếp theo cấu trúc mạng nguyên tử sao cho spin của chúng hướng lên trên (màu xanh) hoặc hướng xuống dưới (màu hồng) theo kiểu xen kẽ. Đây là trạng thái ổn định giảm thiểu năng lượng. Khi một vật liệu bị ánh sáng chiếu vào, electron sẽ nhảy đến vị trí nguyên tử gần đó, để lại một lỗ tích điện dương (quả bóng tối) nơi nó từng cư trú. Nếu electron và lỗ trống ở xa nhau hơn, thì sự sắp xếp các spin của chúng bị xáo trộn – các spin không còn hướng ngược chiều với các láng giềng của chúng, như thể hiện trong hình thứ hai – và điều này tiêu tốn năng lượng. Để tránh sự mất năng lượng này, các electron và lỗ trống có xu hướng ở gần nhau. Đây là cơ chế liên kết từ tính đằng sau các kích thích Hubbard. Tác giả chính của nghiên cứu Omar Mehio (Tiến sĩ '23), một sinh viên mới tốt nghiệp Caltech, người cộng tác với Giáo sư Vật lý Caltech, David Hsieh, cho biết: "Sử dụng các đầu dò quang phổ tiên tiến, chúng tôi có thể quan sát quá trình sản xuất và phân hủy của các exiton liên kết từ tính (Hubbard Exciton) trong thời gian thực". Mechio hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Kaveri của Đại học Cornell.
"Trong hầu hết các chất cách điện, các electron và lỗ trống mang điện tích trái dấu tương tác với nhau, giống như các electron và proton kết hợp với nhau để tạo thành các nguyên tử hydro," Mehio giải thích. “Tuy nhiên, trong một vật liệu đặc biệt gọi là chất cách điện Mott, các electron và lỗ trống quang kích được kết hợp thông qua tương tác từ tính.”
Các ứng dụng và thí nghiệm tiềm năng
Những phát hiện này có thể được sử dụng để phát triển các công nghệ mới liên quan đến exciton, hay còn gọi là chất kích thích, trong đó các chất kích thích sẽ được điều khiển thông qua từ tính của chúng.
Mehio cho biết: "Các chất kích thích Hubbard và cơ chế liên kết từ tính của chúng hoàn toàn khác với mô hình kích thích truyền thống, tạo ra cơ hội phát triển toàn bộ hệ sinh thái gồm các công nghệ mới mà các hệ thống kích thích truyền thống không thể thực hiện được. Việc có các chất kích thích và từ tính đan xen chặt chẽ trong một vật liệu duy nhất có thể dẫn đến những công nghệ mới tận dụng được cả hai đặc tính."
Để tạo ra các kích thích Hubbard, các nhà nghiên cứu đã chiếu ánh sáng lên một vật liệu cách điện gọi là chất cách điện Mott phản sắt từ. Đây là những vật liệu từ tính trong đó các spin của electron được sắp xếp theo các mẫu ổn định, lặp đi lặp lại. Ánh sáng kích thích các electron, chúng nhảy sang các nguyên tử khác, để lại các lỗ trống.
"Trong những vật liệu này, khi các electron hoặc lỗ trống di chuyển qua mạng tinh thể, chúng để lại dấu vết kích thích từ tính," Mehio nói. "Hãy tưởng tượng bạn buộc một đầu dây bungee vào bạn mình và đầu kia vào chính bạn. Nếu bạn của bạn bỏ chạy, bạn cảm thấy sợi dây kéo bạn về hướng đó và bạn bắt đầu đi theo. Tình huống này tương tự như những gì xảy ra giữa một electron bị kích thích bằng ánh sáng và lỗ trống mà nó để lại trong chất cách điện Mott. Đối với các máy kích thích Hubbard, chuỗi kích thích từ tính giữa các cặp máy kích thích đóng vai trò như sợi dây kết nối bạn với bạn của bạn. "
Để chứng minh sự tồn tại của các máy kích thích Hubbard, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp gọi là quang phổ terahertz trong miền thời gian cực nhanh, cho phép họ tìm kiếm các dấu hiệu rất ngắn gọn của các exiton ở thang năng lượng rất thấp.
"Exciton không ổn định vì electron muốn quay trở lại lỗ trống," Xie giải thích. “Chúng tôi có một cách để phát hiện khoảng thời gian ngắn trước khi sự tái hợp này xảy ra, điều này cho phép chúng tôi thấy rằng chất lỏng kích thích Hubbard ổn định nhất thời.”