In halfgeleidermaterialen kunnen bijzondere quasideeltjes ontstaan, genaamd excitonen. Het bestaan van ‘heldere’ excitonen, die meetbaar zijn met licht, werd tien jaar geleden aangetoond. Nu is het Japanse onderzoekers, met een nieuwe techniek, gelukt om ook de voorheen verborgen ‘donkere’ excitonen te detecteren.
Met de nieuwe techniek kun je zowel heldere als donkere excitonen detecteren. Dat maakt het mogelijk om beter onderzoek te doen naar deze interessante deeltjes.
Excitonen spelen nu al een rol spelen in zonnecellen en leds. Daarnaast kunnen ze in de toekomst gebruikt worden voor nieuwe technologie, zoals efficiëntere elektronica op basis van excitonen.
Heino Falcke fotografeerde als eerste een zwart gat: ‘Nog mooier dan ik al die tijd had verwacht’
Heino Falcke, hoogleraar radioastronomie, maakte in 2019 de eerste foto van een zwart gat. Op dit moment doet hij onderzoek n ...
Kwetsbare koppels
Bij dit onderzoek gaat het om zogenoemde quasideeltjes. Dat zijn deeltjes die ontstaan door het collectieve gedrag van andere deeltjes. In tegenstelling tot bijvoorbeeld atomen, protonen of elektronen kunnen ze niet los, op zichzelf, bestaan.
Excitonen zijn het collectieve gedrag van een elektron en een ‘elektrongat’. Een elektrongat is een plek in het atoomrooster van een halfgeleider waar een elektron hoort te zitten. Als dit elektron – bijvoorbeeld door een laserstraal – van zijn plek is geduwd, laat het een gat achter. Een elektron is negatief geladen. Een elektrongat is netto positief geladen doordat de negatieve lading van het elektron er ontbreekt.
Doordat elektron en -gat tegengestelde ladingen hebben, trekken ze elkaar aan. Zo kan een elektrongat een band aangaan met een elektron, waardoor de twee samen als exciton door het materiaal bewegen.
Deze koppels zijn erg kwetsbaar. Een klein zetje, in de vorm van warmte of een elektrische kracht, doet ze uit elkaar vallen. Daarom leven excitonen slechts een fractie van een seconde.
Extreem korte lichtpulsen
Heldere excitonen worden sinds 2010 gezien in experimenten. Deze excitonen kunnen licht absorberen en zijn daardoor ‘zichtbaar’. Het vermoeden was dat er ook donkere excitonen zijn die geen licht kunnen absorberen.
‘Dat komt doordat het elektron en het elektrongat in donkere excitonen niet dezelfde impuls hebben’, mailt natuurkundige Julien Madéo van het Okinawa Institute of Science and Technology in Japan. ‘En licht kan niet geabsorbeerd worden door een quasideeltje waarvan de onderdelen verschillende impulsen hebben.’
Dit meetprobleem hebben de onderzoekers opgelost door extreem korte, maar krachtige lichtpulsen af te vuren op een dun plakje halfgeleider. Die pulsen zijn zo krachtig dat ze excitonen opbreken als ze er tegenaan botsen en daarbij het elektron uit het materiaal schieten.
De onderzoekers maten vervolgens de losgeschoten elektronen. Hierbij keken ze naar de energie en de hoek waaronder het elektron uit het materiaal vloog. Met die informatie konden ze achterhalen of de elektronen onderdeel waren geweest van heldere of donkere excitonen.
Meer donkere dan heldere excitonen
‘De eerste keer dat we excitonen live op ons scherm zagen verschijnen, waren we erg enthousiast’, laat Madéo weten. ‘Ook waren we verrast dat we meer donkere dan heldere excitonen zagen.’
Met de nieuwe techniek kan in toekomstig onderzoek uitgezocht worden of donkere excitonen altijd domineren of dat de verdeling bijvoorbeeld per materiaal verschilt.