Stoletje po odkritju so ljudje prvič ujeli elektronsko orbitalno sliko ekscitonov

Raziskovalci na Okinavskem inštitutu za znanost in tehnologijo (OIST) so izmerili porazdelitev zagona fotoelektronov, ki jih oddajajo ekscitoni v eni plasti volframovega diselenida, in zajeli slike, ki prikazujejo notranje orbite ali prostorsko porazdelitev delcev v ekscitonih - to je to. cilj, ki ga znanstveniki niso mogli doseči, odkar je bil eksciton odkrit pred skoraj stoletjem.

Ekscitoni so vzbujeno stanje snovi, ki ga najdemo v polprevodnikih – ta vrsta materiala je ključna za številne sodobne tehnološke naprave, kot so sončne celice, LED diode, laserji in pametni telefoni.

"Excitoni so zelo edinstveni in zanimivi delci; so električno nevtralni, kar pomeni, da se v materialih obnašajo zelo drugače kot drugi delci, kot so elektroni. Njihova prisotnost lahko resnično spremeni način, kako se materiali odzivajo na svetlobo," Common pravi dr. Michael Man, prvi avtor in znanstvenik v skupini za femtosekundno spektroskopijo OIST. "To delo nas približuje popolnemu razumevanju narave ekscitonov."

Ekscitoni nastanejo, ko polprevodnik absorbira fotone, kar povzroči, da negativno nabiti elektroni skočijo z nizke energijske ravni na visoko energijsko raven. To pušča pozitivno nabita prosta mesta na nižjih energetskih ravneh, imenovane luknje. Nasprotno nabiti elektroni in luknje se privlačijo in začnejo krožiti drug ob drugem, kar ustvarja ekscitone.

Ekscitoni so bistvenega pomena v polprevodnikih, vendar jih znanstveniki zaenkrat lahko zaznajo in merijo le na omejen način. Ena težava je v njihovi krhkosti – za razgradnjo ekscitonov na proste elektrone in luknje je potrebno relativno malo energije. Poleg tega so v naravi minljivi – v nekaterih materialih se ekscitoni ugasnejo v nekaj tisočinkah časa po nastanku, v tem času pa bodo vzbujeni elektroni "padli" nazaj v luknjo.

"Znanstveniki so ekscitone prvič odkrili pred približno 90 leti," je dejal profesor Keshav Dani, višji avtor in vodja skupine za femtosekundno spektroskopijo OIST. "Toda do nedavnega so ljudje običajno dobivali le optične značilnosti ekscitonov - na primer svetlobo, ki se oddaja, ko ekscitoni izginejo. Drugi vidiki njihovih lastnosti, kot je njihov zagon in kako delujejo elektroni in luknje drug z drugim, so lahko le izhaja iz teoretičnega opisa."

Vendar pa so decembra 2020 znanstveniki iz skupine OIST Femtosecond Spectroscopy Group v reviji Science objavili članek, ki opisuje revolucionarno tehniko za merjenje zagona elektronov v ekscitonih. Zdaj, v izdaji časopisa "Science Advances" od 21. aprila, je ekipa s to tehnologijo prvič posnela slike, ki prikazujejo porazdelitev elektronov okoli lukenj v ekscitonih.

Raziskovalci so najprej ustvarili ekscitone s pošiljanjem laserskih impulzov v dvodimenzionalni polprevodnik - vrsto materiala, ki so ga nedavno odkrili, ki je debel le nekaj atomov in vsebuje močnejše ekscitone. Ko so ekscitoni nastali, je raziskovalna skupina uporabila laserski žarek s fotoni ultra visoke energije, da je ekscitone razgradila in elektrone izbila neposredno iz materiala v vakuumski prostor v elektronskem mikroskopu. Elektronski mikroskop meri kot in energijo elektronov, ko letijo iz materiala. Iz teh informacij lahko znanstveniki določijo začetni zagon, ko se elektroni združijo z luknjami v ekscitonih.

"Ta tehnologija ima nekaj podobnosti s poskusom trkalnika v fiziki visokih energij. V trkalniku se delci združijo zaradi močne energije in jih razbijejo. Z merjenjem manjših notranjih delcev, ki nastanejo v poti trka, lahko znanstveniki začnejo sestavljati koščke. skupaj notranjo strukturo prvotnega popolnega delca," je dejal profesor Dani. "Tukaj počnemo nekaj podobnega - uporabljamo fotone ekstremne ultravijolične svetlobe, da razbijemo ekscitone, in merimo poti elektronov, da opišemo, kaj je notri."

"To ni preprost podvig," je nadaljeval profesor Dani. "Meritev je treba opraviti zelo previdno – pri nizki temperaturi in nizki intenzivnosti, da se izognemo segrevanju ekscitonov. Za pridobitev slike je bilo potrebnih nekaj dni. Na koncu je ekipa uspešno izmerila valovno funkcijo ekscitonov in dala verjetnost, da se elektron nahaja okoli luknje.

"To delo je pomemben napredek na tem področju," je dejal dr. Julien Madeo, prvi avtor študije in znanstvenik v skupini za femtosekundno spektroskopijo OIST. "Zmožnost vizualnega videnja notranjih orbit delcev, ker tvorijo večje sestavljene delce, kar nam omogoča razumevanje, merjenje in na koncu nadzorovanje sestavljenih delcev na način brez primere. To nam omogoča ustvarjanje novih na podlagi teh konceptov. Kvantni stanje snovi in ​​tehnologije."