Свет в темноте: исследователи впервые обнаружили в полупроводниках тип частиц, который ранее предсказывали только теоретически - «темные экситоны». Они состоят из возбужденного светом электрона, соединенного с «электронной дыркой» с другим импульсом. Экспериментальное свидетельство этих квазичастиц теперь раскрывает их свойства, а также то, что их даже больше, чем их «ярких» собратьев, как сообщают исследователи в журнале «Science».
Еще в 1960-х годах физики предсказали существование экситонов - квазичастиц, образующихся в полупроводнике при его возбуждении светом. При этом электроны переходят в более высокое энергетическое состояние и прыгают в проводящую полосу материала. Положительно заряженная электронная дырка остается в исходном положении. Он соединяется с «развившимся» электроном, и оба вместе образуют квазичастицу, которая может двигаться через кристалл.
Невидимые квазичастицы
Исследователи впервые обнаружили некоторые из этих короткоживущих экситонов несколько лет назад. Это связано с тем, что эти «яркие» экситоны взаимодействуют со светом и поэтому могут быть обнаружены с помощью специальных методов спектроскопии. Иначе обстоит дело с «темными экситонами»: у них различаются импульсы электрона и электронной дырки, что делает их невидимыми для обычных методов обнаружения.
«Мы знаем, что они существуют, но мы не можем их увидеть или изучить напрямую», - объясняет ведущий автор Жюльен Мадео из Окинавского института науки и технологий. «Вот почему мы не знаем, в какой степени они влияют на оптоэлектронные свойства таких полупроводниковых материалов».
Электроны обнаруживают присутствие темных экситонов
Для своего эксперимента физики использовали атомный слой полупроводникового материала диселенида вольфрама (WSe2) и возбудили его сверхбыстрым лазером импульсы в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Затем исследователи бомбардировали материал лазерными импульсами в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. Эти высокоэнергетические импульсы разделяют квазичастицы и выбрасывают их электроны из материала.
Импульс и энергия этих выброшенных электронов показывает, исходят ли они от экситонов и от каких.«Не было ясно, насколько хорошо этот метод будет работать для экситонов», - говорит коллега Мадео Майкл Мэн. Поскольку эти квазичастицы имеют чрезвычайно короткую продолжительность жизни, временное и пространственное разрешение фотоэмиссионной электронной микроскопии, используемой для измерения, должно было быть очень высоким.
Доказательство успешно
Но эксперимент удался: «Когда мы решили все технические проблемы и включили прибор, экситоны действительно появились на нашем экране - это было просто невероятно», - говорит Ман. Используя измеренный импульс, он и его коллеги смогли четко отличить сигнатуры ярких K-экситонов от сигнатур темных Q-квазичастиц с «запрещенным импульсом». Темные экситоны впервые удалось обнаружить напрямую.
Также интересно: измерения показали, что темные экситоны в возбужденном полупроводнике имеют большее время жизни, чем яркие, и что яркие экситоны могут превращаться в свои темные аналоги. Через короткое время темный вариант этих квазичастиц даже начинает доминировать в полупроводнике.
«Как и ожидалось, K-экситоны образовались очень быстро», - сообщают Мадео и его команда. «Позже мы увидели явное обогащение темных Q-экситонов.» Их количество тогда превышало количество ярких экситонов в два раза. В то же время измерения также показали, что темные квазичастицы при определенных условиях могут превращаться обратно в свои яркие аналоги.
Важно для исследования полупроводников и оптоэлектроники
«Доминирование темных экситонов и взаимодействие между ними и светлыми экситонами предполагает, что эти невидимые квазичастицы влияют на свойства двумерных полупроводников даже больше, чем ожидалось», - говорит Мадео. Это открытие может иметь далеко идущие последствия для использования и разработки таких полупроводниковых материалов, например, в квантовой связи или других областях оптоэлектроники.
«Эта техника - настоящий прорыв», - говорит коллега Мадео Кешав Дани. «Это не только позволяет нам делать первые наблюдения темных экситонов и их свойств. Это также открывает новую эру в изучении экситонов и других возбужденных частиц».