Na arte, o espaço negativo numa pintura é tão importante como a própria pintura, e uma situação semelhante existe nos materiais isolantes, onde o espaço vazio deixado pelos electrões em falta desempenha um papel crucial na determinação das propriedades do material. Quando um elétron carregado negativamente é excitado pela luz, ele deixa para trás um buraco carregado positivamente. Como os buracos e os elétrons têm cargas opostas, eles se atraem e formam ligações. O par resultante tem vida curta e é chamado de exciton (pronuncia-se exit-tawn).
Excitons em tecnologia
Os excitons são parte integrante de muitas tecnologias, como painéis solares, fotodetectores e sensores. Eles também são uma parte fundamental dos diodos emissores de luz encontrados em televisores e monitores digitais. Na maioria dos casos, os pares de excitons são ligados por forças elétricas ou eletrostáticas, também conhecidas como interações de Coulomb.
Agora, num novo estudo publicado na Nature Physics, os investigadores do Caltech relatam que os excitons detectados não estão ligados pelas forças de Coulomb, mas pelo magnetismo. Esta é a primeira experiência a examinar como estes chamados excitons de Hubbard (em homenagem ao falecido físico John Hubbard) se formam em tempo real.
Em um material chamado isolante antiferromagnético de Mott, os elétrons (esferas) são organizados em uma estrutura de rede atômica de modo que seus spins se movem para cima (azul) ou para baixo (rosa) em um padrão alternado. Este é o estado estável com energia minimizada. Quando um material é atingido pela luz, o elétron salta para um local atômico próximo, deixando um buraco carregado positivamente (bola escura) onde antes residia. Se o eletrão e o buraco estiverem mais afastados um do outro, o alinhamento dos seus spins é perturbado – os spins já não apontam na direção oposta aos seus vizinhos, como mostrado no segundo painel – e isto consome energia. Para evitar essa perda de energia, elétrons e lacunas tendem a ficar próximos uns dos outros. Este é o mecanismo de ligação magnética por trás dos excitons de Hubbard. Fonte da imagem: Caltech
"Usando sondas espectroscópicas avançadas, fomos capazes de observar a produção e o decaimento de excitons ligados magneticamente (excitons de Hubbard) em tempo real", disse o principal autor do estudo, Omar Mehio (PhD '23), um recente estudante de pós-graduação da Caltech que trabalhou em colaboração com o professor de física da Caltech, David Hsieh. Mechio é agora pós-doutorado no Kaveri Institute da Cornell University.
“Na maioria dos isolantes, elétrons e buracos com cargas opostas interagem, assim como elétrons e prótons se combinam para formar átomos de hidrogênio”, explica Mehio. "No entanto, em um material especial chamado isolante de Mott, elétrons e buracos fotoexcitados são combinados por meio de interações magnéticas."
Potenciais aplicações e experimentos
As descobertas poderiam ser usadas para desenvolver novas tecnologias relacionadas a excitons, ou excitons, nas quais os excitons serão manipulados por meio de suas propriedades magnéticas.
"Os excitons de Hubbard e seus mecanismos de ligação magnética são radicalmente diferentes do paradigma tradicional da excitonologia, criando oportunidades para desenvolver todo um ecossistema de novas tecnologias que simplesmente não são possíveis com os sistemas de excitons tradicionais", disse Mehio. "Ter excitons e magnetismo intimamente interligados em um único material pode levar a novas tecnologias que aproveitem ambas as propriedades."
Para gerar excitons de Hubbard, os pesquisadores iluminaram um material isolante chamado isolante antiferromagnético Mott. Estes são materiais magnéticos nos quais os spins dos elétrons são organizados em padrões repetitivos e estáveis. A luz excita os elétrons, que saltam para outros átomos, deixando buracos para trás.
“Nestes materiais, quando elétrons ou buracos viajam através da rede cristalina, eles deixam um rastro de excitações magnéticas”, disse Mehio. "Imagine que você amarra uma ponta de uma corda elástica ao seu amigo e a outra ponta a você mesmo. Se seu amigo foge de você, você sente a corda puxando você naquela direção e começa a segui-lo. Isso é semelhante ao que acontece entre um elétron excitado pela luz e o buraco que ele deixa em um isolador de Mott. Para os excitons de Hubbard, a cadeia de excitações magnéticas entre pares de excitons serve ao mesmo propósito que o cordão que conecta você ao seu amigo. "
Para provar a existência de excitons de Hubbard, os pesquisadores usaram um método chamado espectroscopia terahertz ultrarrápida no domínio do tempo, que lhes permitiu procurar assinaturas muito breves de excitons em escalas de energia muito baixas.
“O exciton é instável porque o elétron quer voltar para o buraco”, explica Xie. "Temos uma maneira de detectar a curta janela de tempo antes que essa recombinação ocorra, o que nos permite ver que os fluidos excitons de Hubbard são transitoriamente estáveis."