Век након што су откривени, људи су први пут снимили електронску орбиталну слику екситона

Истраживачи са Окинавског института за науку и технологију (ОИСТ) измерили су дистрибуцију момента фотоелектрона које емитују ексцитони у једном слоју волфрам диселенида и снимили слике које показују унутрашње орбите или просторну дистрибуцију честица у ексцитонима - ово је ово. циљ који научници нису могли да остваре откако је ексцитон откривен пре скоро једног века.

Екситони су узбуђено стање материје које се налази у полупроводницима - ова врста материјала је кључ за многе модерне технолошке уређаје, као што су соларне ћелије, ЛЕД диоде, ласери и паметни телефони.

"Екситони су веома јединствене и занимљиве честице; они су електрично неутрални, што значи да се понашају у материјалима веома различито од других честица као што су електрони. Њихово присуство заиста може да промени начин на који материјали реагују на светлост", рекао је др Мајкл Мен, Цоммон. први аутор и научник у Групи за фемтосекундну спектроскопију ОИСТ-а. "Овај рад нас приближава потпуном разумевању природе екситона."

Екситони се формирају када полупроводник апсорбује фотоне, што узрокује да негативно наелектрисани електрони скоче са ниског енергетског нивоа на високи енергетски ниво. Ово оставља позитивно наелектрисана празна места на нижим нивоима енергије, која се називају рупе. Супротно наелектрисани електрони и рупе привлаче једни друге и почињу да круже једни око других, што ствара екситоне.

Екситони су витални у полупроводницима, али до сада научници могу да их открију и мере само на ограничен начин. Један проблем лежи у њиховој крхкости - потребно је релативно мало енергије да се ексцитони разбију на слободне електроне и рупе. Осим тога, они су пролазни у природи - у неким материјалима екситони ће се угасити у року од неколико хиљадитих делова времена након што се формирају, а у том тренутку ће побуђени електрони "пасти" назад у рупу.

„Научници су први пут открили екситоне пре око 90 година“, рекао је професор Кешав Дани, старији аутор и шеф ОИСТ-ове групе за фемтосекундну спектроскопију. „Али донедавно, људи су обично добијали само оптичке карактеристике екситона – на пример, светлост која се емитује када ексцитони нестану. Други аспекти њихових својстава, као што је њихов импулс и начин на који електрони и рупе раде једни са другима, могу бити само изведено из Опиши теоретски“.

Међутим, у децембру 2020. године, научници из ОИСТ Фемтосецонд Спецтросцопи Гроуп објавили су рад у часопису Сциенце у којем описују револуционарну технику за мерење импулса електрона у ексцитонима. Сада, у издању часописа "Сциенце Адванцес" од 21. априла, тим је користио ову технологију да по први пут ухвати слике које показују дистрибуцију електрона око рупа у ексцитонима.

Истраживачи су прво генерисали екситоне слањем ласерских импулса у дводимензионални полупроводник - тип материјала који је недавно откривен и који је дебео само неколико атома и садржи моћније екситоне. Након што су екситони формирани, истраживачки тим је користио ласерски сноп са ултра-високим енергетским фотонима да разложи екситоне и избаци електроне директно из материјала у вакуумски простор у електронском микроскопу. Електронски микроскоп мери угао и енергију електрона док лете из материјала. На основу ових информација, научници могу одредити почетни импулс када се електрони комбинују са рупама у екситонима.

"Ова технологија има неке сличности са експериментом сударача у физици високих енергија. У колајдеру, честице су разбијене снажном енергијом, разбијајући их. Мерењем мањих унутрашњих честица произведених у путањи судара, научници могу да почну да раздвајају заједно унутрашњу структуру оригиналне комплетне честице", рекао је професор Дани. "Овде радимо нешто слично - користимо фотоне екстремне ултраљубичасте светлости да разбијемо екситоне и меримо путање електрона да опишемо шта је унутра."

„Ово није једноставан подвиг“, наставио је професор Дани. „Мерење се мора обавити веома пажљиво – на ниској температури и малом интензитету како би се избегло загревање екситона. Било је потребно неколико дана да се добије слика. На крају, тим је успешно измерио таласну функцију екситона и дао је вероватноћа да се електрон може налазити око рупе.

„Овај рад је важан напредак у овој области“, рекао је др Жилијен Мадео, први аутор студије и научник у Групи за фемтосекундну спектроскопију ОИСТ-а. "Способност да визуелно видимо унутрашње орбите честица, јер оне формирају веће композитне честице, што нам омогућава да разумемо, меримо и на крају контролишемо композитне честице на начин без преседана. Ово нам омогућава да креирамо нове на основу ових концепата. Квантни стање материје и технологије“.