פתיחת הסודות הקוונטיים החבויים ביהלומים עבור אלקטרוניקה מתקדמת

ספקטרום ספיגה אופטי מדויק מאוד של יהלום חושפים פיצול עדין במיוחד.

מלבד היותם "החברה הכי טובה של ילדה", ליהלומים יש יישומים תעשייתיים רחבים, כמו אלקטרוניקה במצב מוצק. טכנולוגיות חדשות שואפות לייצר גבישים סינתטיים בטוהר גבוה שהופכים למצוינים מוליכים למחצה כאשר הם מסוממים בזיהומים כתורמי אלקטרונים או מקבלי יסודות אחרים.

מדע הסימום

האלקטרונים הנוספים האלה – או החורים – אינם משתתפים בקשר אטומי אלא לפעמים נקשרים אליהם אקסיטונים – מעין חלקיקים המורכבים מאלקטרון ומחור אלקטרוני – במוליכים למחצה ובחומר מעובה אחר. שימוש בסמים עלול לגרום לשינויים פיזיים, אבל איך מתחם אקסיטון – מצב קשור של שני חורים בעלי מטען חיובי ואלקטרון אחד בעל מטען שלילי – המתבטא ביהלומים מסוממים בבורון נותר ללא אישור. קיימות שתי פרשנויות סותרות למבנה האקציטון.

מחקר פורץ דרך על Excitons

צוות בינלאומי של חוקרים בראשות אוניברסיטת קיוטו קבע כעת את גודל אינטראקציית הספין-מסלול באקסיטונים הקשורים למקבלים במוליך למחצה.

"פרצנו את גבול רזולוציית האנרגיה של קונבנציונאלי הֶאָרָה מדידות על ידי התבוננות ישירה במבנה העדין של אקסיטונים קשורים ביהלום כחול מסומם בבור, תוך שימוש בספיגה אופטית", אומר ראש הצוות נובוקו נאקה מבית הספר לתארים מדעים של KyotoU.

"השערנו שבאקציטון, שני חורים בעלי מטען חיובי קשורים חזק יותר מאשר זוג אלקטרונים וחורים", מוסיף המחבר הראשון Shinya Takahashi. "מבנה האקסיטונים המחובר ל-acceptor הניב שניים שלישיות מופרדים על ידי פיצול ספין-מסלול של 14.3 meV, התומך בהשערה."

ניתן להשתמש בהארה הנובעת מעירור תרמית כדי לצפות במצבי אנרגיה גבוהה, אך שיטת מדידה נוכחית זו מרחיבה קווים ספקטרליים ומטשטשת פיצול עדין במיוחד.

טכניקות מתקדמות וכיוונים עתידיים

במקום זאת, הצוות של Naka קירר את גביש היהלום לטמפרטורות קריוגניות, והשיג תשעה פסגות בספקטרום הקליטה העמוק-אולטרה סגול, בהשוואה לארבעה הרגילים באמצעות זוהר. בנוסף, החוקרים פיתחו מודל אנליטי הכולל את אפקט הספין-מסלול כדי לחזות את עמדות האנרגיה ועוצמות הספיגה.

"במחקרים עתידיים, אנו שוקלים את האפשרות של מדידת ספיגה בתחומים חיצוניים, מה שיוביל לפיצול קווים ותיקוף נוסף עקב שינויים בסימטריה", אומר ז'וליאן ברג'ון מאוניברסיטת פריז-סקליי.

השלכות על מדעי החומר

"התוצאות שלנו מספקות תובנות שימושיות לגבי אינטראקציות ספין-מסלול במערכות מעבר לחומרים במצב מוצק, כמו פיזיקה אטומית וגרעינית. הבנה מעמיקה יותר של חומרים עשויה לשפר את הביצועים של מכשירי יהלום, כגון דיודות פולטות אור, פולטי קוונטים וגלאי קרינה", מציין נאקה.