Metodo per l'imaging ultraveloce degli eccitoni oscuri

Gli scienziati hanno sbloccato il mondo segreto degli eccitoni oscuri: piccoli portatori cruciali di energia per il futuro dell'energia solare e dei LED

Comprendere l'impatto dell'eterogeneità spaziale sul comportamento dei materiali bidimensionali rappresenta una delle grandi sfide nell'applicazione di questi materiali in optoelettronica e scienze delle informazioni quantistiche. Per le eterostrutture di dicalcogenuro di transizione in particolare, l'accesso diretto alle eterogeneità nel paesaggio degli Eccitoni scuri con una risoluzione spaziale e ultravefast di nanometri è altamente desiderato ma rimane in gran parte sfuggente.

Come si può migliorare le ultime tecnologie, come le celle solari? Un team di ricerca internazionale guidato dall'University of Göttingen sta contribuendo a trovare risposte a domande come questa con una nuova tecnica. Per la prima volta, la formazione di particelle minuscole e difficili da individuare note come gli eccitoni scuri può essere tracciata con precisione nel tempo e nello spazio. Questi vettori invisibili di energia svolgeranno un ruolo chiave nelle future celle solari, LED e rilevatori. I risultati sono stati pubblicati su Nature Photonics (1).

Gli eccitoni scuri sono piccole coppie costituite da un elettrone insieme al buco che lascia alle spalle quando è eccitato. Trasportano energia ma non possono emettere luce (da qui il nome “oscuro”). Un modo per visualizzare un eccitone è immaginare un palloncino (che rappresenta l'elettrone) che vola via e lascia dietro uno spazio vuoto (il foro) a cui rimane collegato da una forza nota come interazione di Coulomb. I ricercatori parlano di “stati di particelle” che sono difficili da rilevare ma che sono particolarmente importanti nelle strutture bidimensionali atomicamente sottili in speciali composti semiconduttori.

In una precedente pubblicazione, il gruppo di ricerca guidato dal professor Stefan Mathias (2) della Facoltà di fisica dell'University of Göttingen è stato in grado di mostrare come questi eccitoni oscuri vengono creati in un tempo incredibilmente breve e di descrivere la loro dinamica con l'aiuto della teoria della meccanica quantistica. Nello studio attuale, il team ha ora sviluppato una nuova tecnica nota come “Ultrafast Dark-field Momentum Microscopy” e l'ha utilizzata per la prima volta. Ciò ha permesso loro di mostrare come gli eccitoni oscuri vengono formati in uno speciale materiale fatto di diseleniuro di tungsteno (WSe₂) e disolfuro di molibdeno (MoS₂) e in un tempo sorprendente, della durata di soli 55 femtosecondi (0,000000000000055 secondi) misurati con una risoluzione precisa di 480 nanometri (0,00000048 metri).

«Questo metodo ci ha permesso di misurare la dinamica dei portatori di carica in modo molto preciso», spiega il primo autore, il dottor David Schmitt (3), anche lui della Facoltà di fisica dell'University of Göttingen. «I risultati forniscono una visione fondamentale di come le proprietà del campione influenzano il movimento dei portatori di carica. Ciò significa che questa tecnica può essere utilizzata in futuro per migliorare specificamente la qualità e quindi anche l'efficienza delle celle solari, ad esempio».

Il dottor Marcel Reutzel, Junior Research Group Leader nel gruppo di ricerca di Mathias, aggiunge: «Ciò significa che questa tecnica può essere utilizzata non solo per questi sistemi appositamente progettati, ma anche per la ricerca su nuovi tipi di materiali».

La ricerca è stata supportata dai centri di ricerca collaborativa finanziati dalla DFG “Controllo della conversione di energia su scala atomica” e “Matematica della sperimentazione” a Gottinga e dal centro di ricerca collaborativa “Struttura e dinamica delle interfacce interne” a Marburgo.

Riferimenti:

(1) Ultrafast nano-imaging of dark excitons

(2) Stefan Mathias

(3) David Schmitt

Descrizione foto: La rappresentazione artistica che mostra come la tecnica di nuova sviluppo – Ultrafast Dark-field Momentum Microscopy – consente di analizzare sia gli eccitoni brillanti (mostrati in rosso) che gli eccitoni scuri (mostrati in blu). - Credit: Lukas Kroll.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Press release: A look into the dark