51 évnyi kutatás után, végre fülön csípték a bujkáló kvázirészecskét - magyar segítséggel
2020 / 03 / 01 / Justin Viktor
51 évnyi kutatás után, végre fülön csípték a bujkáló kvázirészecskét - magyar segítséggel
Érted az elektronokat, tudod mikor érdemes egyenáramra váltani, a fúzió és a fisszió a passziód, a bájos kvarkok íze ott van a nyelved hegyén, oké. De vajon az excitonok is felizgatnak? Mert épp most nemrég, meglett egy újabb.

Energia: yes, Töltés: no

A megoldás kulcsa az volt, hogyan reagálnak az excitonok a perovszkit ásványban a nagy töltéshordozó sűrűség jelenlétére. Az excitonok a félvezetők optikai tulajdonságaival állnak kapcsolatban. Jelentősek, mivel energiát szállítanak (nettó töltés nélkül) az anyagokon keresztül, és így kulcsszerepet töltenek be különféle optoelektronikai eszközökben. A félvezetők excitonikus tulajdonságait ellenőrző képesség, szintén kulcsfontosságú az alkalmazásuk körének és változatosságának kibővítése szempontjából. 

Pontosabban fogalmazva, amikor a töltéshordozók sűrűsége növekszik, az excitonok általában megolvadnak, és a félvezető végül fémmé válik az úgynevezett Mott sűrűség elérése mellett. 1967-ben Gerald Mahan azt jósolta, hogy létezik egy másik típusú exciton is, amely a Mott-sűrűség felett is fennmarad. A tudósok azóta próbálták megtalálni ezt az úgynevezett Mahan-excitont, amelyet eddig még nem figyeltek meg.

Perovszkit

A perovszkit CaTiO3 képletű, tehát kalcium-titanát oxidásvány. Gustav Rose fedezte fel 1839-ben az Urál hegységben, és Lev Alekszejevics Perovszkij (1792–1856) mineralógusról nevezte el.

Ez az ásvány a névadója az XIIA2+VIB4+X2–3 általános képlettel leírható szerkezetű ásványok ma már több mint 400 tagot számláló csoportjának. A perovszkit kristály szerkezetét először Victor Goldschmidt írta le 1926-ban a toleranciafaktort tárgyaló művében. A kristályszerkezetet 1945-ben publikálta Helen Dick Megaw bárium-titanát röntgendiffrakciós adatai alapján. Készítenek belőle napelemeket, amelyek hatásfoka egyelőre nem éri el a kereskedelmi forgalomban kapható hagyományos napelemekét, de az utóbbi időben komoly előrelépés történt ennek növelése érdekében.

Az École polytechnique fédérale de Lausanne tudósai, a magyar a magyar Forró László csoportjának vezetésével valamint Alexander Steinhoff (University of Bremen), és Ana Akrap (University of Fribourg) együttműködésével fedezték fel a Mahan excitonokra utaló jeleket egy nagyon népszerű ólom-bromid szerves-szervetlen anyagban, a perovszkitban. Ehhez feltérképezték, hogyan változnak az anyag optikai tulajdonságai a töltéshordozók növekvő sűrűségénél, tíz femtoszekundum időbeli felbontásban. A Mahan-excitonok az optikai tulajdonságokban bukkantak fel, az elmélet által megjósolt megkülönböztető tulajdonságokkal.

Különösképp érdekessé teszi a felfedezést, hogy ezt az új kvázirészecskét szobahőmérsékletű ólom-halogenid perovszkitban figyelték meg, egy olcsó és gyakori félvezetőben, amelyet intenzíven vizsgálnak és tesztelnek a fotovoltaikus, lumineszcens anyagokkal kapcsolatos vagy lézerek területén történő alkalmazásokra. Az utóbbi két alkalmazási terület erősen függ a töltéshordozók nagy sűrűségétől.

Exciton

Az exciton a szilárdtestfizikában az a kvázirészecske, amelyet egy elektron és egy elektronlyuk kötött állapota alkot bizonyos félvezető, és szigetelő szilárdtestekben, illetve egyes folyadékokban. Az exciton valójában a kondenzált anyagokban található elektronok elemi gerjesztéseinek leírására alkotott fizikai formalizmus, mely segítségével bizonyos folyamatok (pl. fény és anyag kölcsönhatása) részecskefolyamatként magyarázható. Az excitonok, mivel töltéssel nem rendelkeznek, nettó töltéstranszport nélkül képesek energiaterjedést megvalósítani.

Az excitonok koncepcióját először Jakov Frenkel szovjet fizikus javasolta 1931-ben, amellyel szigetelőkben található atomok gerjesztéseit magyarázta. Az ő nevéhez fűződik az a felismerés is, hogy az excitonok a rácsban elmozdulva energiatranszportot képesek megvalósítani.

Ezenkívül az új felfedezések elmélyítik tudásunkat a sok-test jelenségről kondenzált anyagrendszerekben, kikövezve az utat a perovszkit használatához a fény és az exciton hibrid állapotainak Bose-Einstein kondenzációjával.

Edoardo Baldini (az EPFL korábbi doktorandusza, most az MIT posztdoktori kutatója) elmondta:  „Megvizsgáltuk, hogy az excitonok a perovszkitban hogyan reagálnak a nagy töltéshordozó sűrűség jelenlétére. Hirtelen egy spektroszkópikus tulajdonság bukkant fel, amelyet a félvezetőkben ismert egyéb jelenségek keretein belül nem lehetett megmagyarázni." 

Tania Palmieri, Ph.D. a projektet vezetõ hallgató így emlékezett: 

„Elmélyedve az elméletben, rájöttünk, hogy ez csak a Mahan által régen előrejelzett excitonok felbukkanásának következménye lehet. Ez a felfedezés azt is bizonyítja, hogy a hibrid perovszkit különleges anyag, nem csak az optoelektronikai alkalmazásokhoz, hanem az új alapvető folyamatok feltárásához is."

A tanulmányt a Nature Communications folyóiratban tették közzé.

(Forrás: TechExplorist Képek: Wikimedia, EPFL)


Igényes és férfias történeteket keresel? A Roadstert neked írjuk!
Olvass bele az egyik legszínvonalasabb hazai magazinba, szeretni fogod! A Roadster egy fantasztikus utazás az élet legjobb területein...
Kövesd a Rakétát a Facebookon is!
Kövess, üzenj, kommentelj a Rakéta Facebook oldalán!
Ezek is érdekelhetnek
HELLO, EZ ITT A
RAKÉTA
Kövess minket a Facebookon!
A jövő legizgalmasabb cikkeit találod nálunk!

Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.