Вчені з США і Японії вперше побачили ексітони в двошаровому графені за допомогою фототокової спектроскопії. Стаття опублікована в.
Двошаровий графен вперше був описаний у 2004 році поряд зі «звичайним», одношаровим графеном групою вчених під керівництвом А. Гейма. Двошаровий графен складається з двох близько розташованих аркушів звичайного графена, так що електрони можуть тунелювати з одного шару в інший. Це призводить до незвичайного закону дисперсії для носіїв заряду (електронів і дірок). Ширину забороненої зони в двошаровому графені можна легко контролювати, що дозволяє детально досліджувати почесну фізику за межами звичайних напівпровідників.
Існування екситонів (квазічастинок, що складаються з електрону і дірки) у двошаровому графені раніше передбачалося теоретично. Однак експериментально спостерігати ексітони в ньому поки не вдавалося через сильні неоднорідності використовуваних підкладок. Крім того, експерименти над ультрачистим графеном ускладнюються невеликим розміром зразків.
У цій роботі вчені повідомляють про успішне спостереження ексітонів за допомогою фототокової спектроскопії (photocurrent spectroscopy) у високоякісних зразках двошарового графена. Для цього вони помістили частинки графену, утримувані листами з гексагонального нітриду бору, на графітову підкладку і накрили їх зверху напівпрозорим шаром зі сплаву нікелю і хрому.
Щоб вимірювати струм, що виникає при дії на зразок інфрачервоного випромінювання, експериментатори підключили до нього золоті електроди. Оптичний спектр поглинання графена вчені знайшли, зіставляючи величину струму, що виникає при опроміненні графена, і затримку між світловими імпульсами.
Таким чином, вчені побачили в спектрі графена два гострих піку. При додатку зовнішньої напруги до зразка ці піки зсувалися в бік великих енергій. В принципі, таку форму спектру можуть викликати не тільки екситонні переходи, а й інші процеси. Однак фізики виключили їх, дослідивши зміщення положення піків при додаванні в графен додаткових електронів і дірок і порівнюючи експериментальні дані з теоретичними передбаченнями. Зрештою, вчені прийшли до висновку, що піку з меншою енергією відповідає перехід ексітонів в збуджений стан 1s, а піку з більшою - в стан 2p. Зокрема, на користь цієї гіпотези говорить те, що ставлення амплітуд піків (близько 0,05) збігається з теоретично розрахованою величиною.
Крім того, фізики визначили деякі властивості екситонів. Наприклад, g-фактор частинок виявився рівним приблизно g = 19,8 ^ 0,1. Це робить перспективним використання двошарового графена у веллітроніці (valleytronics), наприклад, при розробці інфрачервоних детекторів або лазерів. Також вчені вивчили діамагнітні властивості екситонів і знайшли їх приблизний радіус, який в 1s-стані склав близько шести нанометрів.
Нещодавно ми писали, як хіміки відфільтрували віскі за допомогою мембрани з оксиду графена. А детальніше про ексітони можна прочитати в нашому матеріалі «Зоопарк квазічастинок».