Excitones de Wanner-Mott en hielos moleculares a nanoescala

La absorción de la luz para crear excitones de Wannier-Mott es una característica fundamental que impone las propiedades ópticas y fotovoltaicas de los semiconductores con una banda prohibida pequeña (band gap) y una alta permitividad. Tales excitones, con una separación electrón-hueco un orden de magnitud mayor que las dimensiones de la red, están en gran parte limitados a estos semiconductores, pero en este trabajo se han encontrado evidencias de la formación del excitón Wannier-Mott en monóxido de carbono sólido (CO), con una band gap de más de 8 eV y una baja permitividad eléctrica.

Este resultado se deduce de la observación de que un cambio de unos pocos grados Kelvin en la temperatura de deposición produce un cambio en los espectros de absorción electrónica de CO sólido en varios cientos de números de onda. A esto se añade el reciente descubrimiento de que la deposición de CO conduce a la formación espontánea de campos eléctricos dentro de la capa. Estos campos eléctricos espontáneos, denominados spontelectrics (de spontaneus electric fields), en el caso del CO con valores próximos a 4 × 107 Vm−1, son fuertemente dependientes de la temperatura.

Los desplazamientos espectrales observados, dependientes de la temperatura, pueden ser explicados con un simple modelo electrostático basado en el efecto Stark en un electrón-hueco separados una distancia de varios nanómetros, identificando la presencia de excitones Wannier-Mott.

El efecto spontelectric en CO explica también el antiguo enigma de la tendencia de los espectros ultravioleta de vacío a verse afectados por la temperatura de deposición.

En la figura se muestra el proceso de excitación de una molécula de CO en un hielo cuando absorbe un fotón ultravioleta (Step 1). Si la molécula así excitada se encuentra cerca de la superficie del hielo puede transmitir parte de su energía a otra molécula que se encuentre en la superficie (Step 2), pudiendo escapar a la fase gaseosa (Step 3, el proceso se llama fotodesorción y sirve para explicar por qué en nubes interestelares densas como Orión, con temperaturas de 10 K, hay moléculas en fase gaseosa, a esa temperatura todas deberían estar pegadas a los granos de polvo formando capitas de hielo, pero una pequeña fracción consigue escapar del hielo). 

El trabajo publicado muestra la primera evidencia experimental de excitones en un hielo irradiado con luz ultravioleta, los excitones transmiten la energía de los fotones de unas moléculas a otras en el hielo, haciendo que las moléculas en la superficie del hielo fotodesorban (ver figura adjunta).



Trabajo publicado por  G.M. Muñoz Caro, Y. J. Chen, S. Aparicio, A. Jiménez-Escobar, J. Lasne, a. Rosu-Finsen and M.R.S. McCoustra y A. M. Cassidy y D. Field en 'Physical review letters", en APS Physics.


Figura: proceso de excitación de una molécula de CO 


 

Fuente: UCC-CAB

 

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