En plus d'être « le meilleur ami des filles », les diamants ont de nombreuses applications industrielles, notamment dans l'électronique à semi-conducteurs. Les nouvelles technologies visent à produire des cristaux synthétiques de haute pureté qui deviennent d'excellents semi-conducteurs lorsqu'ils sont dopés avec des impuretés en tant que donneurs d'électrons ou accepteurs d'autres éléments.
Ces électrons supplémentaires (ou trous) ne participent pas à la liaison atomique mais se lient parfois à des excitons (des quasi-particules constituées d'un électron et d'un trou d'électron) dans les semi-conducteurs et autres matières condensées.
Le dopage peut provoquer des changements physiques, mais la façon dont le complexe exciton – un état lié de deux trous chargés positivement et d’un électron chargé négativement – se manifeste dans les diamants dopés au bore n’est pas confirmée. Il existe deux interprétations contradictoires de la structure de l'exciton.
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Université de Kyoto a maintenant déterminé l'ampleur de l'interaction spin-orbite dans les excitons liés à l'accepteur dans un semi-conducteur.
"Nous avons dépassé la limite de résolution énergétique des mesures de luminescence conventionnelles en observant directement la structure fine des excitons liés dans le diamant bleu dopé au bore, en utilisant l'absorption optique", a déclaré le chef d'équipe Nobuko Naka de la Graduate School of Science de KyotoU.
"Nous avons émis l'hypothèse que, dans un exciton, deux trous chargés positivement sont plus fortement liés qu'une paire électron-trou", ajoute le premier auteur Shinya Takahashi. "Cette structure d'exciton liée à l'accepteur a produit deux triplets séparés par une division spin-orbite de 14,3 meV, confortant l'hypothèse."
La luminescence résultant de l'excitation thermique peut être utilisée pour observer des états de haute énergie, mais cette méthode de mesure actuelle élargit les raies spectrales et brouille les divisions ultra-fines.
Au lieu de cela, l'équipe de Naka a refroidi le cristal de diamant à des températures cryogéniques, obtenant neuf pics sur le spectre d'absorption ultraviolette profonde, contre quatre habituellement en utilisant la luminescence. De plus, les chercheurs ont développé un modèle analytique incluant l'effet spin-orbite pour prédire les positions énergétiques et les intensités d'absorption.
"Dans les études futures, nous envisageons la possibilité de mesurer l'absorption sous des champs externes, conduisant à une division et une validation supplémentaires des lignes dues aux changements de symétrie", explique Julien Barjon de l'Université Paris-Saclay.
"Nos résultats fournissent des informations utiles sur les interactions spin-orbite dans des systèmes allant au-delà des matériaux solides, tels que la physique atomique et nucléaire. Une compréhension plus approfondie des matériaux pourrait améliorer les performances des dispositifs en diamant, tels que les diodes électroluminescentes, les émetteurs quantiques et détecteurs de rayonnement", note Naka.
Les travaux sont publiés dans la revue Physical Review Letters .
Plus d'informations : Shinya Takahashi et al, Effets spin-orbite sur les complexes d'excitons dans le diamant, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.096902
Fourni par l'Université de Kyoto
