Eccitoni legati magneticamente

L'isolante antiferromagnetico Mott non drogato ha naturalmente un portatore di carica per sito reticolare. Quando è drogato con portatori aggiuntivi, questi sono instabili all'accoppiamento di Cooper mediato dalla fluttuazione dello spin così come ad altri tipi non convenzionali di ordinamento di carica, spin e corrente orbitale. La fotoeccitazione può produrre portatori di carica sotto forma di siti vuoti (holons) e doppiamente occupati (doublons) che possono anche presentare instabilità di carica. Esistono prove che le correlazioni antiferromagnetiche migliorano le interazioni attrattive tra holons e doublons, che possono quindi formare coppie legate note come eccitoni di Hubbard, e che questi potrebbero auto-organizzarsi in un fluido eccitonico di Hubbard isolante. Tuttavia, questo fenomeno di fuori equilibrio non è stato rilevato sperimentalmente.

Nell'arte, lo spazio negativo in un dipinto può essere importante quanto il dipinto stesso. Qualcosa di simile vale per i materiali isolanti, dove gli spazi vuoti lasciati dagli elettroni mancanti svolgono un ruolo cruciale nel determinare le proprietà del materiale. Quando un elettrone carico negativamente viene eccitato dalla luce, lascia una lacuna positiva. Poiché la lacuna e l’elettrone hanno carica opposta, sono attratti l’uno dall’altro e formano un legame. La coppia risultante, che è di breve durata, è nota come eccitone (exciton) [pronunciato exit-tawn].

Gli eccitoni sono una parte fondamentale di molte tecnologie, inclusi i pannelli solari, i fotorilevatori e i sensori, nonché i diodi emettitori di luce presenti nei televisori e negli schermi digitali. Nella maggior parte dei casi, le coppie di eccitoni sono legate da forze elettriche o elettrostatiche, note anche come interazioni di Coulomb. Ora, in un nuovo studio pubblicato su Nature Physics (1), i ricercatori del Caltech riferiscono di aver rilevato eccitoni che non sono legati dalle forze di Coulomb ma piuttosto dal magnetismo. Questo è il primo esperimento per rilevare come questi cosiddetti eccitoni di Hubbard, dal nome del defunto fisico John Hubbard, si formano in tempo reale.

«Utilizzando una sonda spettroscopica avanzata, siamo stati in grado di osservare in tempo reale la generazione e il decadimento degli eccitoni legati magneticamente, gli eccitoni di Hubbard», afferma l'autore principale dello studio Omar Mehio (PhD '23) (2), un neolaureato al Caltech che ha lavorato con David Hsieh (3), professore di fisica Donald A. Glaser al Caltech. Mehio è ora un ricercatore post-dottorato presso il Kavli Institute della Cornell.

«Nella maggior parte degli isolanti, elettroni e lacune con carica opposta interagiscono tra loro proprio come un elettrone e un protone si legano per formare un atomo di idrogeno», spiega Mehio. «Tuttavia, in una classe speciale di materiali noti come isolanti Mott, gli elettroni e i fori fotoeccitati si legano invece attraverso interazioni magnetiche».

I risultati potrebbero avere applicazioni nello sviluppo di nuove tecnologie legate agli eccitoni, o eccitonica, in cui gli eccitoni verrebbero manipolati attraverso le loro proprietà magnetiche. «Gli eccitoni di Hubbard e il loro meccanismo di legame magnetico dimostrano un drastico allontanamento dai paradigmi dell'eccitonica tradizionale, creando l'opportunità di sviluppare un intero ecosistema di nuove tecnologie che sono fondamentalmente non disponibili nei sistemi eccitonici convenzionali», afferma il dottor Omar Mehio. «Avere eccitoni e magnetismo fortemente intrecciati in un unico materiale potrebbe portare a nuove tecnologie che sfruttano entrambe le proprietà».

Per creare gli eccitoni di Hubbard, i ricercatori hanno applicato la luce a un tipo di materiale isolante noto come isolante antiferromagnetico Mott. Si tratta di materiali magnetici in cui gli spin degli elettroni sono allineati secondo uno schema ripetitivo e stabile. La luce eccita gli elettroni, che saltano verso altri atomi, lasciandosi dietro dei buchi.

«In questi materiali, quando un elettrone o una lacuna si muove attraverso il reticolo, lascia sulla sua scia una serie di eccitazioni magnetiche», spiega Mehio. «Immagina di legare un'estremità di una corda elastica attorno al tuo amico e l'altra estremità attorno a te stesso. Se il tuo amico scappa da te, sentirai la corda tirarti in quella direzione e inizierai a seguirlo. Questo scenario è analogo a ciò che accade tra un elettrone fotoeccitato e il buco che lascia in un isolante di Mott. Con gli eccitoni di Hubbard, la stringa di eccitazioni magnetiche tra la coppia svolge lo stesso ruolo della corda che ti collega al tuo amico».

Per dimostrare l’esistenza degli eccitoni di Hubbard, i ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato spettroscopia terahertz nel dominio del tempo ultraveloce, che ha permesso loro di cercare le firme di breve durata degli eccitoni su scale di energia molto bassa. «Gli eccitoni sono instabili perché gli elettroni vogliono tornare nelle lacune», spiega il dottor David Hsieh. «Abbiamo un modo per sondare la breve finestra temporale prima che avvenga questa ricombinazione, e questo ci ha permesso di vedere che un fluido di eccitoni di Hubbard viene temporaneamente stabilizzato».

Lo studio intitolato “A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator” (4), è stato finanziato dall'Army Research Office, dalla David e Lucile Packard Foundation, dalla National Science Foundation, Caltech's Institute for Quantum Information and Matter (un'organizzazione NSF Physics Frontiers Center), Caltech, dalla German Research Foundation, dalla Gordon e Betty Moore Foundation e dalla Slovenian Research Agency. Altri autori includono Xinwei Li, Honglie Ning (PhD '23), e Nicholas Laurita, tutti ex Caltech; studente laureato del Caltech Yuchen Han; Zala Lenarcic del Jozef Stefan Institute in Slovenia e UC Berkeley; Michael Buchhold dell'University of Cologne in Germania (ed ex postdoc del Caltech); e Zach Porter e Stephen Wilson dell'UC Santa Barbara.

Riferimenti:

(1) A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator

(2) Omar Mehio

(3) David Hsieh

(4) A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator

Descrizione foto: Nei materiali noti come isolanti antiferromagnetici Mott, gli elettroni (globi) sono organizzati in una struttura reticolare di atomi in modo tale che i loro spin puntino verso l'alto (blu) o verso il basso (rosa) in uno schema alternato. Questo è uno stato stabile in cui l'energia è ridotta al minimo. Quando il materiale viene colpito dalla luce, un elettrone salterà verso un sito atomico vicino, lasciando un buco carico positivamente dove una volta risiedeva (sfera scura). Se l’elettrone e la lacuna si allontanano ulteriormente l’uno dall’altro, la disposizione degli spin tra di loro viene disturbata – gli spin non puntano più in direzioni opposte rispetto a quelli vicini come visto nel secondo pannello – e questo costa energia. Per evitare questa penalità energetica, l’elettrone e la lacuna preferiscono rimanere vicini l’uno all’altro. Questo è il meccanismo di legame magnetico alla base dell'eccitone di Hubbard. - Credit: Caltech.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Physicists Find Evidence for Magnetically Bound Excitons