Osim što su „najbolji prijatelj devojke“, dijamanti imaju široku industrijsku primenu, kao što je elektronika u čvrstom stanju. Nove tehnologije imaju za cilj proizvodnju sintetičkih kristala visoke čistoće koji postaju odlični poluprovodnici kada se dopiraju nečistoćama kao donori elektrona ili akceptori drugih elemenata.
Ovi dodatni elektroni – ili rupe – ne učestvuju u atomskom vezivanju, ali se ponekad vezuju za eksitone – kvazi-čestice koje se sastoje od elektrona i elektronske rupe – u poluprovodnicima i drugim kondenzovanim materijama.
Doping može izazvati fizičke promene, ali kako se ekscitonski kompleks – vezano stanje dve pozitivno naelektrisane rupe i jednog negativno naelektrisanog elektrona – manifestuje u dijamantima dopiranim borom, ostalo je nepotvrđeno. Postoje dve oprečne interpretacije strukture eksitona.
Međunarodni tim istraživača predvođen Univerzitetom Kjoto sada je odredio veličinu spin-orbit interakcije u ekscitonima vezanim za akceptor u poluprovodniku.
„Probili smo granicu energetske rezolucije konvencionalnih merenja luminiscencije direktno posmatrajući finu strukturu vezanih eksitona u plavom dijamantu dopiranom borom, koristeći optičku apsorpciju“, kaže vođa tima Nobuko Naka sa Fakulteta nauka u Kjotu.
„Pretpostavili smo da su u ekscitonu dve pozitivno naelektrisane rupe jače vezane od para elektrona i rupe“, dodaje prvi autor Šinja Takahaši. „Ova ekscitonska struktura vezana za akceptor je dala dva tripleta razdvojena spin-orbitnim cepanjem od 14,3 meV, što podržava hipotezu.“
Lumiscencija koja je rezultat termičke ekscitacije može se koristiti za posmatranje visokoenergetskih stanja, ali ovaj trenutni metod merenja proširuje spektralne linije i zamagljuje ultra-fino cepanje.
Umesto toga, Nakin tim je ohladio dijamantski kristal na kriogene temperature, dobijajući devet vrhova na spektru dubokog ultraljubičastog apsorpcije, u poređenju sa uobičajena četiri koristeći luminiscenciju. Pored toga, istraživači su razvili analitički model koji uključuje efekat spin-orbite za predviđanje energetskih pozicija i intenziteta apsorpcije.
„U budućim studijama, razmatramo mogućnost merenja apsorpcije pod spoljnim poljima, što dovodi do daljeg cepanja linija i validacije zbog promena u simetriji“, kaže Julien Barjon sa Univerziteta Paris-Saclai.
„Naši rezultati pružaju koristan uvid u spin-orbitne interakcije u sistemima izvan materijala čvrstog stanja, kao što su atomska i nuklearna fizika. Dublje razumevanje materijala može poboljšati performanse dijamantskih uređaja, kao što su diode koje emituju svetlost, kvantni emiteri i detektori zračenja“, napominje Naka.
