En el arte, el espacio negativo en una pintura es tan importante como la pintura misma, y una situación similar existe en los materiales aislantes, donde el espacio vacío que dejan los electrones faltantes juega un papel crucial en la determinación de las propiedades del material. Cuando un electrón cargado negativamente es excitado por la luz, deja un hueco cargado positivamente. Como los huecos y los electrones tienen cargas opuestas, se atraen y forman enlaces. El par resultante es de corta duración y se llama excitón.
Excitones en tecnología
Los excitones son una parte integral de muchas tecnologías, como paneles solares, fotodetectores y sensores. También son una parte clave de los diodos emisores de luz que se encuentran en televisores y pantallas digitales. En la mayoría de los casos, los pares de excitones están unidos por fuerzas eléctricas o electrostáticas, también conocidas como interacciones de Coulomb.
Ahora, en un nuevo estudio publicado en Nature Physics, investigadores de Caltech informan que los excitones detectados no están unidos por fuerzas de Coulomb, sino por magnetismo. Este es el primer experimento que examina cómo se forman en tiempo real los llamados excitones de Hubbard (llamados así en honor al fallecido físico John Hubbard).
En un material llamado aislante Mott antiferromagnético, los electrones (esferas) están organizados en una estructura de red atómica de modo que sus espines se mueven hacia arriba (azul) o hacia abajo (rosa) en un patrón alterno. Este es el estado estable de energía minimizada. Cuando la luz incide sobre un material, el electrón salta a un sitio atómico cercano, dejando un agujero cargado positivamente (bola oscura) donde alguna vez residió. Si el electrón y el agujero están más alejados uno del otro, la alineación de sus espines se altera (los espines ya no apuntan en la dirección opuesta a sus vecinos, como se muestra en el segundo panel) y esto consume energía. Para evitar esta pérdida de energía, los electrones y los huecos tienden a permanecer cerca unos de otros. Este es el mecanismo de unión magnética detrás de los excitones de Hubbard. Fuente de la imagen: Caltech
"Usando sondas espectroscópicas avanzadas, pudimos observar la producción y desintegración de excitones unidos magnéticamente (excitones de Hubbard) en tiempo real", dijo el autor principal del estudio, Omar Mehio (PhD '23), un reciente estudiante graduado de Caltech que trabajó en colaboración con el profesor de Física de Caltech, David Hsieh. Mechio es ahora becario postdoctoral en el Instituto Kaveri de la Universidad de Cornell.
"En la mayoría de los aislantes, los electrones y los huecos con cargas opuestas interactúan, al igual que los electrones y los protones se combinan para formar átomos de hidrógeno", explica Mehio. "Sin embargo, en un material especial llamado aislante Mott, los electrones fotoexcitados y los huecos se combinan mediante interacciones magnéticas".
Posibles aplicaciones y experimentos.
Los hallazgos podrían utilizarse para desarrollar nuevas tecnologías relacionadas con los excitones, o excitónica, en las que los excitones se manipularán a través de sus propiedades magnéticas.
"Los excitones de Hubbard y sus mecanismos de unión magnética son radicalmente diferentes del paradigma de excitonología tradicional, creando oportunidades para desarrollar un ecosistema completo de nuevas tecnologías que simplemente no son posibles con los sistemas de excitones tradicionales", dijo Mehio. "Tener excitones y magnetismo estrechamente entrelazados en un solo material podría conducir a nuevas tecnologías que aprovechen ambas propiedades".
Para generar excitones de Hubbard, los investigadores iluminaron un material aislante llamado aislante Mott antiferromagnético. Se trata de materiales magnéticos en los que los espines de los electrones están dispuestos en patrones estables y repetitivos. La luz excita los electrones, que saltan a otros átomos, dejando agujeros.
"En estos materiales, cuando los electrones o los agujeros viajan a través de la red cristalina, dejan un rastro de excitaciones magnéticas", dijo Mehio. "Imagina que atas un extremo de una cuerda elástica a tu amigo y el otro extremo a ti mismo. Si tu amigo huye de ti, sientes que la cuerda tira de ti en esa dirección y comienzas a seguirlo. Esto es similar a lo que sucede entre un electrón excitado por la luz y el agujero que deja en un aislante Mott. Para los excitones de Hubbard, la cadena de excitaciones magnéticas entre pares de excitones tiene el mismo propósito que el cordón que te conecta a ti con tu amigo".
Para demostrar la existencia de los excitones de Hubbard, los investigadores utilizaron un método llamado espectroscopia ultrarrápida de terahercios en el dominio del tiempo, que les permitió buscar firmas muy breves de excitones a escalas de energía muy bajas.
"El excitón es inestable porque el electrón quiere volver al agujero", explica Xie. "Tenemos una manera de detectar el corto período de tiempo antes de que ocurra esta recombinación, lo que nos permite ver que los fluidos excitones de Hubbard son transitoriamente estables".