En art, l'espace négatif dans une peinture est aussi important que la peinture elle-même, et une situation similaire existe dans les matériaux isolants, où l'espace vide laissé par les électrons manquants joue un rôle crucial dans la détermination des propriétés du matériau. Lorsqu’un électron chargé négativement est excité par la lumière, il laisse derrière lui un trou chargé positivement. Puisque les trous et les électrons sont chargés de manière opposée, ils s’attirent et forment des liaisons. La paire résultante est de courte durée et est appelée un exciton (prononcé exit-tawn).
Des passionnés de technologie
Les excitons font partie intégrante de nombreuses technologies, telles que les panneaux solaires, les photodétecteurs et les capteurs. Ils constituent également un élément clé des diodes électroluminescentes présentes dans les téléviseurs et les écrans numériques. Dans la plupart des cas, les paires d'excitons sont liées par des forces électriques ou électrostatiques, également appelées interactions coulombiennes.
Aujourd’hui, dans une nouvelle étude publiée dans Nature Physics, les chercheurs de Caltech rapportent que les excitons détectés ne sont pas liés aux forces coulombiennes, mais au magnétisme. Il s'agit de la première expérience visant à examiner comment ces excitons dits de Hubbard (du nom du regretté physicien John Hubbard) se forment en temps réel.
Dans un matériau appelé isolant Mott antiferromagnétique, les électrons (sphères) sont organisés dans une structure de réseau atomique de telle sorte que leurs spins se déplacent vers le haut (bleu) ou vers le bas (rose) selon un motif alterné. Il s’agit de l’état stable minimisé en énergie. Lorsqu’un matériau est frappé par la lumière, l’électron saute vers un site atomique proche, laissant un trou chargé positivement (boule sombre) là où il résidait autrefois. Si l’électron et le trou sont plus éloignés l’un de l’autre, l’alignement de leurs spins est perturbé – les spins ne pointent plus dans la direction opposée à celle de leurs voisins, comme le montre le deuxième panneau – et cela consomme de l’énergie. Pour éviter cette perte d’énergie, les électrons et les trous ont tendance à rester proches les uns des autres. Il s’agit du mécanisme de liaison magnétique derrière les excitons de Hubbard. Source de l'image : Caltech
"Grâce à des sondes spectroscopiques avancées, nous avons pu observer la production et la désintégration d'excitons liés magnétiquement (excitons de Hubbard) en temps réel", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Omar Mehio (PhD '23), un récent étudiant diplômé de Caltech qui a travaillé en collaboration avec le professeur de physique de Caltech, David Hsieh. Mechio est maintenant chercheur postdoctoral au Kaveri Institute de l’Université Cornell.
"Dans la plupart des isolants, des électrons et des trous de charges opposées interagissent, tout comme les électrons et les protons se combinent pour former des atomes d'hydrogène", explique Mehio. "Cependant, dans un matériau spécial appelé isolant Mott, les électrons et les trous photoexcités sont combinés via des interactions magnétiques."
Applications et expériences potentielles
Les résultats pourraient être utilisés pour développer de nouvelles technologies liées aux excitons, ou excitoniques, dans lesquelles les excitons seront manipulés via leurs propriétés magnétiques.
"Les excitons de Hubbard et leurs mécanismes de liaison magnétique sont radicalement différents du paradigme traditionnel de l'excitonologie, créant des opportunités pour développer tout un écosystème de nouvelles technologies qui ne sont tout simplement pas possibles avec les systèmes d'excitons traditionnels", a déclaré Mehio. "Le fait d'avoir des excitons et un magnétisme étroitement liés dans un seul matériau pourrait conduire à de nouvelles technologies tirant parti des deux propriétés."
Pour générer des excitons de Hubbard, les chercheurs ont mis en lumière un matériau isolant appelé isolant Mott antiferromagnétique. Ce sont des matériaux magnétiques dans lesquels les spins électroniques sont disposés selon des motifs stables et répétitifs. La lumière excite les électrons, qui sautent vers d’autres atomes, laissant derrière eux des trous.
"Dans ces matériaux, lorsque des électrons ou des trous traversent le réseau cristallin, ils laissent derrière eux une traînée d'excitations magnétiques", a expliqué Mehio. "Imaginez que vous attachiez une extrémité d'un élastique à votre ami et l'autre extrémité à vous-même. Si votre ami s'enfuit, vous sentez le cordon vous tirer dans cette direction et vous commencez à le suivre. C'est similaire à ce qui se passe entre un électron excité par la lumière et le trou qu'il laisse derrière lui dans un isolant Mott. Pour les excitons de Hubbard, la chaîne d'excitations magnétiques entre des paires d'excitons a le même objectif que le cordon qui vous relie à votre ami. "
Pour prouver l’existence des excitons de Hubbard, les chercheurs ont utilisé une méthode appelée spectroscopie térahertz ultrarapide dans le domaine temporel, qui leur a permis de rechercher de très brèves signatures d’excitons à des échelles d’énergie très basses.
"L'exciton est instable parce que l'électron veut retourner dans le trou", explique Xie. "Nous disposons d'un moyen de détecter le court laps de temps avant que cette recombinaison ne se produise, ce qui nous permet de voir que les fluides excitons de Hubbard sont transitoirement stables."