Förutom att vara "en tjejs bästa vän" har diamanter breda industriella tillämpningar, till exempel inom solid-state elektronik. Ny teknik syftar till att producera syntetiska kristaller med hög renhet som blir utmärkta halvledare när de doppas med föroreningar som elektrondonatorer eller acceptorer av andra grundämnen.
Dessa extra elektroner – eller hål – deltar inte i atombindning utan binder ibland till excitoner – kvasipartiklar som består av en elektron och ett elektronhål – i halvledare och annan kondenserad materia.
Doping kan orsaka fysiska förändringar, men hur excitonkomplexet - ett bundet tillstånd av två positivt laddade hål och en negativt laddad elektron - manifesterar sig i diamanter dopade med bor har förblivit obekräftat. Det finns två motstridiga tolkningar av excitonens struktur.
Ett internationellt team av forskare under ledning av Kyoto University har nu bestämt storleken på spin-omloppsinteraktionen i acceptorbundna excitoner i en halvledare.
"Vi bröt igenom energiupplösningsgränsen för konventionella luminescensmätningar genom att direkt observera den fina strukturen av bundna excitoner i borodopad blå diamant, med hjälp av optisk absorption", säger gruppledare Nobuko Naka från KyotoU:s Graduate School of Science.
"Vi antog att i en exciton är två positivt laddade hål starkare bundna än ett elektron-och-hål-par", tillägger förstaförfattaren Shinya Takahashi. "Denna acceptorbundna excitonstruktur gav två tripletter separerade av en spin-omloppsdelning på 14,3 meV, vilket stöder hypotesen."
Luminescens som härrör från termisk excitation kan användas för att observera högenergitillstånd, men denna nuvarande mätmetod breddar spektrala linjer och suddar ut ultrafin splittring.
Istället kylde Nakas team diamantkristallen till kryogena temperaturer och erhöll nio toppar på det djup-ultravioletta absorptionsspektrumet, jämfört med de vanliga fyra med luminescens. Dessutom utvecklade forskarna en analytisk modell inklusive spin-orbit-effekten för att förutsäga energipositioner och absorptionsintensiteter.
"I framtida studier överväger vi möjligheten att mäta absorption under externa fält, vilket leder till ytterligare linjedelning och validering på grund av förändringar i symmetri", säger Julien Barjon från Université Paris-Saclay.
"Våra resultat ger användbara insikter om interaktioner mellan spinn och omloppsbanor i system bortom fasta tillståndsmaterial, såsom atom- och kärnfysik. En djupare förståelse av material kan förbättra prestandan hos diamantanordningar, såsom ljusemitterande dioder, kvantemitters och strålningsdetektorer", konstaterar Naka.
Verket publiceras i tidskriften Physical Review Letters .
Mer information: Shinya Takahashi et al, Spin-Orbit Effects on Exciton Complexes in Diamond, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.096902
Tillhandahålls av Kyoto University
