Exciton
Un exciton est, en physique, une quasi-particule que l'on peut voir comme une paire électron-trou liée par des forces de Coulomb. Une analogie souvent utilisée consiste à comparer l'électron et le trou respectivement à l'électron et au proton d'un atome d'hydrogène. Ce phénomène se produit dans les semi-conducteurs et les isolants.
En 2008, le premier dispositif électronique basé sur des excitons a été démontré, fonctionnant à des températures cryogéniques[1]. En 2018, l'EPFL met au point un transistor basé sur les excitons qui peut fonctionner à température ambiante[2]. Cette technique ouvre la voie à une panoplie de nouvelles possibilités en excitonique, branche de la physique appliquée qui, après celle de la photonique et de la spintronique, s’avère des plus prometteuses pour l'électronique du futur[3].
Le terme est également utilisé en chimie pour désigner des états électroniquement excités des systèmes moléculaires, qui sont délocalisés sur au moins deux chromophores. Cette notion a été popularisée parmi les chimistes par M. Kasha dans les années 1960[4]. Depuis, de nombreux travaux décrivent des excitons dans des systèmes très variées, allant des agrégats H ou J[5] jusqu'aux systèmes photosynthétiques[6] et l'ADN[7].
Caractéristiques
On distingue généralement deux sortes d'exciton :
- l'exciton de Mott-Wannier, dont le rayon (l'analogue du rayon de Bohr dans l'atome d'hydrogène) est nettement plus grand que le paramètre de maille du matériau cristallin dans lequel il se produit, et
- l'exciton de Frenkel, beaucoup plus petit, qui se produit quand la constante diélectrique du matériau est plus faible.
L'électron et le trou d'un exciton de Mott-Wannier sont séparés d'environ d~100-400Å tandis que cette séparation est de l'ordre de d<5Å pour un exciton de Frenkel. Il existe toutefois un cas intermédiaire que l'on retrouve dans les cristaux moléculaires organiques et où la distance entre l'électron et le trou correspond à une ou deux fois la distance intermoléculaire du plus proche voisin, on nomme cet exciton : exciton à transfert de charge[8].
Une autre façon de décrire un exciton est de le voir comme étant une onde de polarisation neutre dans le matériau.
Dans les matériaux semi-conducteurs, l'exciton se manifeste par la présence d'un pic d'absorption situé à une énergie plus faible que l'énergie de bande interdite du matériau[9]. La différence entre les deux énergies est l'énergie de liaison 
Historique
Le concept d’excitons a été proposé pour la première fois par Yakov Frenkel en 1931[10], quand il a décrit l’excitation des atomes d’un réseau dans un isolant. Il a proposé que cet état excité soit en mesure de voyager telle une particule à travers le réseau sans transfert de charge apparent.
Références
Voir aussi
Bibliographie
- (en) Christine Middleton, « Dark excitons outnumber bright ones » [« Les excitons sombres sont plus nombreux que les excitons clairs »], Physics Today, (DOI 10.1063/PT.6.1.20210107a)
