鉆石以其閃耀的光芒和珍貴的地位聞名于世，但其在工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力同樣令人矚目。傳統(tǒng)上，鉆石因其無與倫比的硬度和導(dǎo)熱性，被廣泛應(yīng)用于切割工具、鉆探設(shè)備以及熱管理系統(tǒng)中。然而，鉆石的獨特性質(zhì)遠不止于此。近年來，科學(xué)家們開始深入探索鉆石在電子學(xué)和量子技術(shù)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)鉆石在這些領(lǐng)域中具有獨特的優(yōu)勢。

       鉆石因其極高的硬度和優(yōu)異的導(dǎo)熱性，早已在切割工具和熱管理設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。然而，近年來，科學(xué)家們開始探索其在電子學(xué)中的潛力。高純度的合成鉆石在摻雜特定元素后可以成為出色的半導(dǎo)體材料，這為未來的電子器件開辟了新的可能性。例如，摻雜硼的鉆石可以用作超高頻的電子器件、量子計算中的量子比特以及高效的紫外發(fā)光二極管。

       摻雜是指在材料中引入少量的其他元素，以改變其電子性質(zhì)。在半導(dǎo)體中，摻雜元素可以作為電子供體或受體，從而調(diào)節(jié)材料的導(dǎo)電性。這些摻雜引入的額外電子或空穴（電子缺失的位置）不會參與原子的鍵合，但可能會與激子結(jié)合。激子是由一個電子和一個電子空穴組成的準粒子，摻雜可以引發(fā)復(fù)雜的物理變化。在摻雜硼的鉆石中，激子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)一直存在爭議。激子復(fù)合體是由兩個帶正電的空穴和一個帶負電的電子組成的束縛態(tài)?？茖W(xué)家們提出了兩種不同的解釋，而這些解釋的關(guān)鍵在于如何準確測量激子的結(jié)構(gòu)。

       突破性的激子研究

       近日，由京都大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團隊最近在這一領(lǐng)域取得了重大突破。他們通過光吸收技術(shù)直接觀察到了摻雜硼的藍色鉆石中受主束縛激子的精細結(jié)構(gòu)。這一研究突破了傳統(tǒng)發(fā)光測量的能量分辨率極限，使得研究人員能夠更準確地測量激子的精細結(jié)構(gòu)。

       團隊通過將鉆石冷卻到低溫，使用深紫外吸收光譜獲得了九個峰值，相比傳統(tǒng)發(fā)光測量方法通常只能獲得四個峰值。研究人員還開發(fā)了包括自旋-軌道效應(yīng)的分析模型，以預(yù)測能量位置和吸收強度。這一發(fā)現(xiàn)證實了激子復(fù)合體中兩個正電空穴比電子-空穴對更強的束縛作用。

圖一： (a) Four-body diagram of an acceptor-bound exciton, (b) conventional model describing an acceptor-bound exciton, considering onlyΓ8 acceptor holes, and (c) our model introducing the split-off holes of Γ7 symmetry.

圖二：(a) Schematic of absorption transitions from acceptor (Γ8, Γ7) to acceptor-bound exciton states. (b) Two-hole states extended for split-off (Γ7) holes, including (c) hole-hole exchange interaction and (d) crystal-field splitting. Δa and Δ denote the spin-orbit splitting in the acceptor and bound exciton states, respectively. The split levels are shown not to scale and grouped in (d) by the triplet system, rather than energy ordering (numbers 1–6) in the measured spectra.

圖三：(a) Absorption spectra of bound excitons in boron-doped diamond between 6 and 160 K. The dashed lines represent transitions from the upper acceptor level. (b) Temperature dependence of the Lorentzian width (FWHM) of line number 6 [shaded in (a)]. (c) Temperature shift of line number 6. The solid lines in (b) and (c) represent fit functions

圖五：(a) Higher-resolution absorption spectrum at 2 K (thick black line) fitted with the sum (dotted red line) of 11 Voigt functions, numbers 1′–6 (thin lines). The labels near the respective peaks represent the symmetry of the two-hole states. The brackets and horizontal bars at the top indicate two sets of triplets and the approximate size of the splittings, respectively. (b) Comparison of the experimental and theoretical absorption strengths. Orange bars with dots indicate the areal intensities of numbers 1, 2, and 4 superposed on top of numbers 1′, 2′, and 4′, respectively. Thinner bars indicate intensities of primed peaks. The theory (gray bars) includes the electron-hole exchange effect for numbers 1′?2 and valley-orbit splitting for numbers 5′ and 5 (details in Sec. III of the Supplemental Materia 

       研究團隊表示，未來他們將探索在外部電場下進行吸收測量的可能性，這將導(dǎo)致進一步的譜線分裂并驗證由于對稱性變化引起的變化。這種研究方法有望揭示更多關(guān)于激子和自旋-軌道相互作用的細節(jié)，從而為開發(fā)更高性能的電子器件提供理論基礎(chǔ)。

       這一研究不僅對固態(tài)材料有重要意義，還為其他系統(tǒng)（如原子和核物理）中的自旋-軌道相互作用提供了有價值的見解。對材料的深入理解將推動鉆石器件的性能提升，如高效的發(fā)光二極管、量子發(fā)射器和高靈敏度的輻射探測器等。

       注：以上部分數(shù)據(jù)信息來源于“Spin-Orbit Effects on Exciton Complexes in Diamond” by Shinya Takahashi, Yoshiki Kubo, Kazuki Konishi, Riadh Issaoui, Julien Barjon and Nobuko Naka, 26 February 2024, Physical Review Letters.

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