Впервые в мире исследователи из Окинавского института науки и технологий последипломного университета (OIST) сделали изображение, показывающее внутренние орбиты или пространственное распределение частиц в экситоне - цель, которая ускользнула от ученых. уже почти век.
Экситоны - это возбужденные состояния вещества, обнаруженные в полупроводниках - классе материалов, которые являются ключевыми для многих современных технологических устройств, таких как солнечные элементы, светодиоды, лазеры и смартфоны.
«Экситоны - действительно уникальные и интересные частицы; они электрически нейтральны, что означает, что они ведут себя в материалах совершенно иначе, чем другие частицы, такие как электроны. Их присутствие может действительно изменить то, как материал реагирует на свет», - сказал доктор Майкл. Мужчина, соавтор и штатный научный сотрудник отдела фемтосекундной спектроскопии OIST. «Эта работа приближает нас к полному пониманию природы экситонов».
Экситоны образуются, когда полупроводники поглощают фотоны света, что заставляет отрицательно заряженные электроны прыгать с более низкого энергетического уровня на более высокий энергетический уровень. Это оставляет после себя положительно заряженные пустые пространства, называемые дырками, на нижнем энергетическом уровне. Противоположно заряженные электроны и дырки притягиваются и начинают вращаться вокруг друг друга, создавая экситоны.
Экситоны имеют решающее значение в полупроводниках, но до сих пор ученым удавалось обнаруживать и измерять их только ограниченными способами. Одна из проблем связана с их хрупкостью - требуется относительно мало энергии, чтобы разбить экситон на свободные электроны и дырки. Кроме того, они носят мимолетный характер - в некоторых материалах экситоны гаснут примерно через несколько тысячных миллиардных долей секунды после образования, когда возбужденные электроны «падают» обратно в дырки.
«Ученые впервые обнаружили экситоны около 90 лет назад», - сказал профессор Кешав Дани, старший автор и руководитель отдела фемтосекундной спектроскопии в OIST. «Но до недавнего времени можно было получить доступ только к оптическим характеристикам экситонов - например, к свету, излучаемому экситоном при его погашении. Другие аспекты их природы, такие как их импульс и то, как электрон и дырка вращаются вокруг друг друга другие, могут быть описаны только теоретически."
Однако в декабре 2020 года ученые из отдела фемтосекундной спектроскопии OIST опубликовали в журнале Science статью, описывающую революционный метод измерения импульса электронов внутри экситонов.
Теперь, сообщая 21 апреля в журнале Science Advances, команда использовала эту технику для получения первого в истории изображения, показывающего распределение электрона вокруг дырки внутри экситона.
Исследователи сначала генерировали экситоны, направляя лазерный импульс света на двумерный полупроводник - недавно открытый класс материалов, толщина которых составляет всего несколько атомов и содержит более прочные экситоны.
После того, как экситоны были сформированы, команда использовала лазерный луч с фотонами сверхвысокой энергии, чтобы разбить экситоны на части и вытолкнуть электроны прямо из материала в вакуумное пространство внутри электронного микроскопа.
Электронный микроскоп измерил угол и энергию электронов, когда они вылетали из материала. Из этой информации ученые смогли определить начальный импульс электрона, когда он был связан с дыркой внутри экситона.
Этот метод имеет некоторое сходство с экспериментами на коллайдерах в физике высоких энергий, где частицы сталкиваются вместе с большим количеством энергии, разрывая их. Измеряя траектории более мелких внутренних частиц, образовавшихся при столкновении, ученые могут начать собирать воедино внутреннюю структуру исходных неповрежденных частиц», - сказал профессор Дэни. «Здесь мы делаем нечто подобное - мы используем фотоны экстремального ультрафиолетового света. разбивать экситоны и измерять траектории электронов, чтобы понять, что внутри».
"Это был немалый подвиг," продолжил профессор Дэни. «Измерения нужно было проводить с особой осторожностью - при низкой температуре и малой интенсивности, чтобы избежать нагрева экситонов. На получение одного изображения ушло несколько дней».
В конце концов, команде удалось измерить волновую функцию экситона, которая дает вероятность того, где электрон может находиться вокруг дыры.
«Эта работа является важным достижением в этой области», - сказал д-р Жюльен Мадео, соавтор и штатный научный сотрудник отдела фемтосекундной спектроскопии OIST.«Возможность визуализировать внутренние орбиты частиц по мере того, как они образуют более крупные составные частицы, может позволить нам понять, измерить и, в конечном итоге, контролировать составные частицы беспрецедентными способами. Это может позволить нам создавать новые квантовые состояния материи и технологии, основанные на этих концепциях.."