Une équipe de recherche a découvert la dynamique de la transition des excitons clair-sombre dans l'anatase TiO2 . Leurs conclusions ont été publiées dans les Proceedings of the National Academy of Sciences. .
Les excitons, quasi-particules formées par la liaison d'électrons et de trous dans des systèmes de matière condensée via l'interaction coulombienne, présentent des propriétés distinctes en tant qu'excitons brillants et sombres. Alors que les excitons brillants se couplent directement à la lumière et jouent un rôle central dans l'absorption de la lumière, les excitons sombres, avec leur durée de vie relativement plus longue, revêtent une importance dans le traitement de l'information quantique, la condensation de Bose-Einstein et la récupération de l'énergie lumineuse.
L'étude a été dirigée par le professeur Zhao Jin et le professeur associé Zheng Qijing de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC), en collaboration avec Hrvoje Petek, professeur de l'Université de Pittsburgh.
L'étude, utilisant GW et l'équation de Bethe-Salpeter en temps réel, combinée à la dynamique moléculaire non adiabatique (GW + rtBSE-NAMD), a exploré la dynamique de formation d'excitons sombres à impulsion lumineuse, excités optiquement et fortement liés, dans l'anatase TiO 2 (un matériau semi-conducteur réputé pour ses capacités exceptionnelles d’absorption de la lumière et sa capacité à activer des excitons brillants sous excitation lumineuse). En raison de la nature indirecte de la bande interdite du matériau, les excitons brillants finissent par se détendre jusqu'aux bords de la bande, formant des excitons sombres.
La transition entre les excitons clair et foncé a présenté une nouvelle voie en considérant les effets à plusieurs corps au sein des excitons :l'interaction entre les électrons et les trous. Cette révélation a dévoilé une échelle de temps étendue pour le processus de transition, dans lequel les excitons brillants se transforment en excitons sombres en environ 100 femtosecondes, plusieurs fois plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant. Fondamentalement, les effets à N corps au sein des excitons ont joué un rôle central au cours de cette transition.
Cette étude met en lumière la manière dont la dynamique excitonique des matériaux semi-conducteurs est affectée par les interactions à plusieurs corps, offrant des informations cruciales pour la conception de dispositifs basés sur la lumière et de matériaux énergétiques. Il illustre également les efforts de collaboration et les approches informatiques innovantes pour démêler la dynamique complexe des excitons, ouvrant la voie aux progrès de la science et de la technologie des matériaux.
Plus d'informations : Aolei Wang et al, Transition ultrarapide d'excitons clair-sombre à plusieurs corps dans l'anatase TiO2 , Actes de l'Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.2307671120
Informations sur le journal : Actes de l'Académie nationale des sciences
Fourni par l'Université des sciences et technologies de Chine
