La un secol după ce au fost descoperite, oamenii au capturat pentru prima dată imaginea orbitală a electronilor a excitonilor

Cercetătorii de la Institutul de Știință și Tehnologie din Okinawa (OIST) au măsurat distribuția impulsului fotoelectronilor emiși de excitoni într-un singur strat de diseleniră de wolfram și au capturat imagini care arată orbitele interne sau distribuția spațială a particulelor în excitoni - aceasta este aceasta. un obiectiv pe care oamenii de știință nu l-au putut atinge de când excitonul a fost descoperit în urmă cu aproape un secol.

Excitonii sunt starea excitată a materiei găsite în semiconductori - acest tip de material este cheia multor dispozitive tehnologice moderne, cum ar fi celulele solare, LED-urile, laserele și smartphone-urile.

„Excitonii sunt particule foarte unice și interesante; sunt neutre din punct de vedere electric, ceea ce înseamnă că se comportă în materiale foarte diferit față de alte particule, cum ar fi electronii. Prezența lor poate schimba într-adevăr modul în care materialele reacționează la lumină”, a spus Common Dr. Michael Man, primul autor și om de știință din Grupul de Spectroscopie Femtosecundă al OIST. „Această lucrare ne aduce mai aproape de înțelegerea pe deplin a naturii excitonilor”.

Excitonii se formează atunci când un semiconductor absoarbe fotonii, ceea ce face ca electronii încărcați negativ să sară de la un nivel scăzut de energie la un nivel ridicat de energie. Acest lucru lasă locuri libere încărcate pozitiv la niveluri mai scăzute de energie, numite găuri. Electronii și găurile încărcate opus se atrag reciproc și încep să orbiteze unul pe altul, ceea ce creează excitoni.

Excitonii sunt vitali în semiconductori, dar până acum oamenii de știință le pot detecta și măsura doar într-un mod limitat. O problemă constă în fragilitatea lor - este nevoie de relativ puțină energie pentru a descompune excitonii în electroni liberi și găuri. În plus, ei sunt trecători în natură - în unele materiale, excitonii se vor stinge în câteva miimi de timp după formare, moment în care electronii excitați vor „cădea” înapoi în gaură.

„Oamenii de știință au descoperit pentru prima dată excitoni în urmă cu aproximativ 90 de ani”, a spus profesorul Keshav Dani, autor principal și șef al grupului de spectroscopie femtosecundă al OIST. „Dar până de curând, oamenii au primit de obicei doar caracteristicile optice ale excitonilor - de exemplu, lumina emisă atunci când excitonii dispar. Alte aspecte ale proprietăților lor, cum ar fi impulsul lor și modul în care electronii și găurile lucrează între ele, pot fi doar derivat din Descrie teoretic."

Cu toate acestea, în decembrie 2020, oamenii de știință de la OIST Femtosecond Spectroscopy Group au publicat o lucrare în revista Science care descrie o tehnică revoluționară pentru măsurarea impulsului electronilor în excitoni. Acum, în numărul din 21 aprilie a revistei „Science Advances”, echipa a folosit această tehnologie pentru a capta pentru prima dată imagini care arată distribuția electronilor în jurul găurilor din excitoni.

Cercetătorii au generat mai întâi excitoni trimițând impulsuri laser către un semiconductor bidimensional - un tip de material descoperit recent, care are doar câțiva atomi grosime și conține excitoni mai puternici. După ce s-au format excitonii, echipa de cercetare a folosit un fascicul laser cu fotoni de energie ultra-înaltă pentru a descompune excitonii și a scoate electronii direct din material în spațiul de vid din microscopul electronic. Microscopul electronic măsoară unghiul și energia electronilor în timp ce zboară din material. Din aceste informații, oamenii de știință pot determina impulsul inițial atunci când electronii se combină cu găurile din excitoni.

„Această tehnologie are unele asemănări cu experimentul colisionarului din fizica energiilor înalte. În colisionar, particulele sunt zdrobite împreună de energie puternică, descompunându-le. Măsurând particulele interne mai mici produse în traiectoria coliziunii, oamenii de știință pot începe să pună la punct. împreună structura internă a particulei complete originale”, a spus profesorul Dani. „Aici, facem ceva similar – folosim fotoni de lumină ultravioletă extremă pentru a sparge excitonii și măsurăm traiectoriile electronilor pentru a descrie ceea ce se află în interior”.

„Nu este o simplă ispravă”, a continuat profesorul Dani. „Măsurarea trebuie făcută cu mare atenție – la temperatură scăzută și intensitate scăzută pentru a evita încălzirea excitonilor. A fost nevoie de câteva zile pentru a obține o imagine. În cele din urmă, echipa a măsurat cu succes funcția de undă a excitonilor și a dat The probabilitatea ca electronul să fie situat în jurul găurii.

„Această lucrare este un progres important în acest domeniu”, a spus dr. Julien Madeo, primul autor al studiului și om de știință în Grupul de Spectroscopie Femtosecond al OIST. „Abilitatea de a vedea vizual orbitele interne ale particulelor, deoarece ele formează particule compozite mai mari, ceea ce ne permite să înțelegem, să măsurăm și să controlăm în cele din urmă particulele compozite într-un mod fără precedent. Acest lucru ne permite să creăm altele noi pe baza acestor concepte. starea materiei și tehnologiei”.