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新型准粒子在室温半导体中亮相

2020-02-13 10:08:29 • 来源：

来自瑞士和德国的物理学家在流行的甲基铵卤化铅钙钛矿的室温光学响应中揭示了人们一直寻求的名为“马汉”激子的颗粒的指纹。

新型准粒子在室温半导体中亮相

半导体的光学特性受所谓的“激子”控制，所述激子是负电子和正空穴的结合对。激子很重要，因为它们在整个材料之间传输能量(没有净电荷)，因此它们在许多光电设备中起着至关重要的作用。控制半导体的激子特性的能力(通过调整诸如温度，压力，电荷密度，电场和磁场等参数)是扩大应用范围和多样性的关键。特别地，当电荷载流子(电子和空穴)的密度增加时，激子趋于熔化，并且半导体最终以所谓的莫特密度变成金属。

然而，早在1967年，杰拉尔德·马汉(Gerald Mahan)预测，在莫特密度以上，仍然可以存在其他类型的激子。尽管进行了多年的研究，但尚未观察到这种所谓的Mahan 激子，更不用说在设备的正常操作条件下了。

EPFL的Majed Chergui小组与不来梅大学的Alexander Steinhoff，弗里堡大学的Ana Akrap以及LaszlóForró小组(EPFL)合作，已经实现了这一目标。在《自然通讯》上发表的文章中，研究小组在非常受欢迎的溴化铅有机-无机钙钛矿中发现了Mahan激子的签名。研究人员绘制了材料的光学特性如何在电荷载流子密度增加时以数十飞秒的时间分辨率(一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一)进行改变的情况。马汉激子的光学性质具有理论预测的独特特征。

引人注目的是，现在已经在室温卤化钙钛矿中观察到了这种准粒子。钙钛矿是一种廉价而丰富的半导体，人们对其进行了深入研究，以用于光伏，发光材料和激光等应用。后两种应用强烈依赖于高密度的载流子。此外，从根本上说，这些发现加深了我们对凝聚态系统中多体现象的认识，为钙钛矿用于光和激子混合态的玻色-爱因斯坦凝聚铺平了道路。

“我们正在研究钙钛矿中的激子对高载流子密度的反应，” Edoardo Baldini说(前EPFL的博士生，现在是MIT的博士后研究员)。“突然，我们观察到一种光谱特征，无法在半导体中已知的其他现象的框架内进行解释。” “深入研究该理论，我们意识到这可能是由于Mahan早就预测到的激子所致，”该博士Tania Palmieri补充说。领导该项目的学生。“这一发现进一步证明了混合钙钛矿不仅是光电应用的特殊材料，而且还揭示了新的基本工艺。”

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