Век след като са били открити, хората са уловили електронното орбитално изображение на екситоните за първи път

Изследователи от Института за наука и технологии в Окинава (OIST) измерват разпределението на инерцията на фотоелектроните, излъчвани от екситони в един слой волфрамов диселенид, и заснеха изображения, показващи вътрешните орбити или пространственото разпределение на частиците в екситони - това е това. цел, която учените не могат да постигнат, откакто екситонът е открит преди близо век.

Екситоните са възбуденото състояние на материята, което се намира в полупроводниците - този тип материал е ключът към много съвременни технологични устройства, като слънчеви клетки, светодиоди, лазери и смартфони.

"Екситоните са много уникални и интересни частици; те са електрически неутрални, което означава, че се държат в материали много различно от други частици, като електроните. Тяхното присъствие наистина може да промени начина, по който материалите реагират на светлината", каза д-р Майкъл Ман, Common първият автор и учен в групата за фемтосекундна спектроскопия на OIST. "Тази работа ни доближава до пълното разбиране на природата на екситоните."

Екситоните се образуват, когато полупроводник поглъща фотони, което кара отрицателно заредените електрони да скачат от ниско енергийно ниво към високо енергийно ниво. Това оставя положително заредени свободни места на по-ниски енергийни нива, наречени дупки. Противоположно заредените електрони и дупки се привличат един друг и започват да се въртят в орбита един около друг, което създава екситони.

Екситоните са жизненоважни в полупроводниците, но досега учените могат да ги откриват и измерват само по ограничен начин. Един проблем се крие в тяхната крехкост - отнема сравнително малко енергия за разграждането на екситоните до свободни електрони и дупки. Освен това те са мимолетни в природата - в някои материали екситоните ще бъдат угасени в рамките на няколко хилядни от времето след образуването им, в който момент възбудените електрони ще "паднат" обратно в дупката.

„Учените за първи път откриха екситони преди около 90 години“, каза професор Кешав Дани, старши автор и ръководител на групата за фемтосекундна спектроскопия на OIST. "Но доскоро хората обикновено получават само оптичните характеристики на екситоните - например светлината, излъчвана, когато екситоните изчезнат. Други аспекти на техните свойства, като импулсът и как електроните и дупките работят един с друг, могат да бъдат само извлечено от Опиши теоретично."

Въпреки това, през декември 2020 г. учени от OIST Femtosecond Spectroscopy Group публикуваха статия в списанието Science, описваща революционна техника за измерване на импулса на електроните в екситоните. Сега, в изданието от 21 април на "Science Advances", екипът използва тази технология, за да заснеме за първи път изображения, показващи разпределението на електроните около дупките в екситоните.

Изследователите първо генерират екситони чрез изпращане на лазерни импулси към двуизмерен полупроводник - тип материал, открит наскоро, който е с дебелина само няколко атома и съдържа по-мощни екситони. След като екситоните се образуват, изследователският екип използва лазерен лъч с фотони с ултра висока енергия, за да разложи екситоните и да изхвърли електроните директно от материала във вакуумното пространство в електронния микроскоп. Електронният микроскоп измерва ъгъла и енергията на електроните, когато те излитат от материала. От тази информация учените могат да определят началния импулс, когато електроните се комбинират с дупките в екситоните.

„Тази технология има някои прилики с експеримента с колайдер във физиката на високите енергии. В колайдера частиците се разбиват заедно от силна енергия, разбивайки ги. Чрез измерване на по-малките вътрешни частици, произведени в траекторията на сблъсъка, учените могат да започнат да раздробяват заедно вътрешната структура на оригиналната пълна частица", каза професор Дани. „Тук правим нещо подобно – използваме фотони на екстремна ултравиолетова светлина, за да разбием екситони, и измерваме траекториите на електроните, за да опишем какво има вътре.“

„Това не е прост подвиг“, продължи професор Дани. „Измерването трябва да се извърши много внимателно – при ниска температура и нисък интензитет, за да се избегне нагряване на екситоните. Отнеха няколко дни, за да се получи изображение. В крайна сметка екипът успешно измери вълновата функция на екситоните и даде вероятността електронът да е разположен около дупката.

„Тази работа е важен напредък в тази област“, ​​каза д-р Жулиен Мадео, първият автор на изследването и учен от групата по фемтосекундна спектроскопия на OIST. „Способността да виждаме визуално вътрешните орбити на частиците, тъй като те образуват по-големи композитни частици, което ни позволява да разбираме, измерваме и в крайна сметка контролираме композитни частици по безпрецедентен начин. Това ни позволява да създаваме нови, базирани на тези концепции. Квантът състояние на материята и технологията."