En forskargrupp har avslöjat dynamiken i ljus-mörk excitonövergång i anatas TiO2 . Deras resultat har publicerats i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Excitoner, kvasipartiklar som bildas genom bindning av elektroner och hål i system av kondenserad materia via Coulomb-interaktion, uppvisar distinkta egenskaper som ljusa och mörka excitoner. Medan ljusa excitoner direkt kopplas ihop med ljus och spelar en avgörande roll för ljusabsorption, har mörka excitoner med sina relativt längre livslängder betydelse vid kvantinformationsbehandling, Bose-Einstein-kondensering och skörd av ljusenergi.
Studien leddes av professor Zhao Jin och biträdande professor Zheng Qijing från University of Science and Technology of China (USTC), i samarbete med Hrvoje Petek, professor från University of Pittsburgh.
Studien, med användning av GW plus realtidsbethe-Salpeter-ekvationen, kombinerat med icke-diabatisk molekylär dynamik (GW + rtBSE-NAMD), utforskade bildningsdynamiken hos optiskt exciterade ljusa till starkt bundna momentum-förbjudna mörka excitoner i anatas TiO 2 (ett halvledarmaterial känt för sina exceptionella ljusabsorptionsförmåga och dess förmåga att aktivera ljusa excitoner under ljusexcitation). På grund av materialets indirekta bandgap-karaktär slappnar ljusa excitoner i slutändan av till bandets kanter och bildar mörka excitoner.
Den ljusa-mörka excitonövergången uppvisade en ny väg när man övervägde många kroppseffekter inom excitonerna - interaktionen mellan elektroner och hål. Denna uppenbarelse avslöjade en utökad tidsskala för övergångsprocessen, där ljusa excitoner förvandlas till mörka excitoner inom cirka 100 femtosekunder, flera gånger snabbare än tidigare förstått. Avgörande var att effekterna på många kroppar inom excitoner spelade en avgörande roll under denna övergång.
Den här studien belyser hur halvledarmaterials excitoniska dynamik påverkas av interaktioner med många kroppar, vilket ger avgörande insikter för att designa ljusbaserade enheter och energimaterial. Det exemplifierar också samarbetsarbetet och innovativa beräkningsmetoder för att reda ut excitonernas invecklade dynamik, vilket banar väg för framsteg inom materialvetenskap och teknologi.
Mer information: Aolei Wang et al, Ultrasnabb mångkroppsljus-mörk excitonövergång i anatas TiO2 , Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2307671120
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Science and Technology i Kina
