Fysiker från Schweiz och Tyskland har avslöjat fingeravtryck av den efterlängtade partikeln som kallas Mahan exciton i rumstemperaturens optiska svar hos de populära metylammonium-blyhalogenidperovskiterna.

Halvledares optiska egenskaper styrs av de så kallade "excitonerna, "som är bundna par av negativa elektroner och positiva hål. Excitoner är viktiga eftersom de transporterar energi (utan nettoladdning) över material och därmed spelar de en avgörande roll i ett antal optoelektroniska enheter. Möjligheten att styra de excitoniska egenskaperna hos halvledare (genom att ställa in parametrar som temperatur, tryck, laddningstäthet, elektriska och magnetiska fält) är nyckeln till att bredda tillämpningsområdet och mångfalden. Särskilt, när densiteten hos laddningsbärare (elektroner och hål) ökar, excitoner tenderar att smälta och en halvledare blir så småningom till en metall vid den så kallade Mott-densiteten.

Dock, 1967, Gerald Mahan förutspådde att en annan typ av exciton fortfarande kan kvarstå över Mott -densiteten. Trots år av forskning, denna så kallade Mahan exciton har inte observerats, än mindre under de normala driftsförhållandena för enheter.

Detta har just uppnåtts av gruppen Majed Chergui på EPFL, i samarbete med Alexander Steinhoff (University of Bremen), Ana Akrap (University of Fribourg), och gruppen László Forró (EPFL). Publicerar i Naturkommunikation , lagen avslöjade signaturer av Mahan-excitoner i den mycket populära bly-bromid organiska-oorganiska perovskiten. Forskarna kartlade hur materialets optiska egenskaper modifieras vid ökande densiteter av laddningsbärare med en tidsupplösning på tiotals femtosekunder (en femtosekund är en miljonedel av en miljarddel av en sekund). Mahan excitoner växte fram i de optiska egenskaperna med de särdrag som teorin förutsäger.

Det som är anmärkningsvärt är att denna kvasipartikel nu har observerats i en perovskit av blyhalogenid vid rumstemperatur, en billig och riklig halvledare som intensivt undersöks för applikationer som solceller, självlysande material, och lasrar. De två sistnämnda tillämpningarna är starkt beroende av höga densiteter av laddningsbärare. Vidare, på den grundläggande sidan, dessa fynd fördjupar vår kunskap om mångkroppsfenomen i kondenserade materiesystem, banar vägen mot användning av perovskiter för Bose-Einstein-kondensering av hybridtillstånd av ljus och excitoner.

"Vi studerade hur excitonerna i perovskiten reagerar på närvaron av en hög laddningsbärartäthet, "säger Edoardo Baldini (tidigare doktorand vid EPFL och nu postdoktor vid MIT)." Plötsligt observerade vi en spektroskopisk funktion som inte kunde förklaras inom ramen för andra fenomen som är kända i halvledare. "" Gräva i teorin vi insåg att det kunde ha berott på excitonerna som Mahan förutspådde för länge sedan, "tillägger Tania Palmieri, doktorand student som ledde projektet. "Denna upptäckt visar vidare att hybridperovskiter är specialmaterial inte bara för optoelektroniska applikationer utan också för att avslöja nya grundläggande processer."