Еден век откако беа откриени, луѓето за прв пат ја снимија електронската орбитална слика на ексцитоните

Истражувачите од Институтот за наука и технологија во Окинава (OIST) ја измериле дистрибуцијата на импулсот на фотоелектрони емитирани од ексцитони во еден слој од волфрам дизеленид и снимиле слики кои ги покажуваат внатрешните орбити или просторната дистрибуција на честичките во ексцитоните - ова е ова. цел која научниците не можеа да ја постигнат откако ексцитонот беше откриен пред речиси еден век.

Екситоните се возбудена состојба на материјата што се наоѓа во полупроводниците - овој тип на материјал е клучот за многу современи технолошки уреди, како што се соларни ќелии, LED диоди, ласери и паметни телефони.

„Ексцитоните се многу уникатни и интересни честички; тие се електрично неутрални, што значи дека тие се однесуваат во материјалите многу различно од другите честички како што се електроните. Нивното присуство навистина може да го промени начинот на кој материјалите реагираат на светлината“, рече Common д-р Мајкл Ман. првиот автор и научник во Фемтосекундната спектроскопска група на OIST. „Ова дело нè приближува до целосно разбирање на природата на ексцитоните.

Екситоните се формираат кога полупроводникот апсорбира фотони, што предизвикува негативно наелектризираните електрони да скокаат од ниско ниво на енергија на високо ниво на енергија. Ова остава позитивно наелектризирани празни места на пониски енергетски нивоа, наречени дупки. Спротивно наелектризираните електрони и дупки се привлекуваат едни со други, и тие почнуваат да кружат една околу друга, што создава ексцитони.

Екситоните се од витално значење во полупроводниците, но досега научниците можат да ги детектираат и измерат само на ограничен начин. Еден проблем лежи во нивната кршливост - потребна е релативно малку енергија за да се разложат ексцитоните на слободни електрони и дупки. Покрај тоа, тие се минливи по природа - во некои материјали, ексцитоните ќе се изгаснат во рок од неколку илјадити дел од времето откако ќе се формираат, во кое време возбудените електрони ќе „паднат“ назад во дупката.

„Научниците првпат открија ексцитони пред околу 90 години“, вели професорот Кешав Дани, постар автор и шеф на групата за фемтосекунда спектроскопија на OIST. „Но, до неодамна, луѓето обично ги добиваа само оптичките карактеристики на ексцитоните - на пример, светлината што се емитува кога ексцитоните исчезнуваат. Други аспекти на нивните својства, како што е нивниот импулс, и како електроните и дупките работат едни со други, можат да бидат само изведен од Опишете теоретски“.

Меѓутоа, во декември 2020 година, научниците од OIST Femtosecond Spectroscopy Group објавија труд во списанието Science во кој се опишува револуционерна техника за мерење на импулсот на електроните во ексцитоните. Сега, во изданието на „Science Advances“ од 21 април, тимот ја искористи оваа технологија за првпат да сними слики кои ја покажуваат дистрибуцијата на електроните околу дупките во ексцитоните.

Истражувачите најпрво генерирале ексцитони со испраќање ласерски импулси до дводимензионален полупроводник - тип на материјал откриен неодамна, кој е дебел само неколку атоми и содржи помоќни ексцитони. Откако ќе се формираат ексцитоните, истражувачкиот тим користел ласерски зрак со фотони со ултра висока енергија за да ги разложи ексцитоните и да ги исфрли електроните директно од материјалот во вакуумскиот простор во електронскиот микроскоп. Електронскиот микроскоп го мери аголот и енергијата на електроните додека летаат надвор од материјалот. Од оваа информација, научниците можат да го одредат почетниот моментум кога електроните се комбинираат со дупките во ексцитоните.

„Оваа технологија има некои сличности со експериментот со судири во физиката со висока енергија. Во судирот, честичките се разбиваат заедно со силна енергија, разбивајќи ги. Со мерење на помалите внатрешни честички произведени во траекторијата на судир, научниците можат да почнат да делат заедно внатрешната структура на оригиналната целосна честичка“, рече професорот Дани. „Овде, правиме нешто слично - користиме фотони на екстремна ултравиолетова светлина за да ги разбиеме ексцитоните и ги мериме траекториите на електроните за да опишеме што има внатре“.

„Ова не е едноставен подвиг“, продолжи професорот Дани. „Мерењето мора да се направи многу внимателно - при ниска температура и низок интензитет за да се избегне загревање на ексцитоните. Беа потребни неколку дена за да се добие слика. На крајот, тимот успешно ја измери брановата функција на ексцитоните и ја даде веројатноста дека електронот може да се наоѓа околу дупката.

„Оваа работа е важен напредок на ова поле“, рече д-р Џулиен Мадео, првиот автор на студијата и научник во Фемтосекундната спектроскопска група на OIST. „Способноста визуелно да се видат внатрешните орбити на честичките, бидејќи тие формираат поголеми композитни честички, што ни овозможува да ги разбереме, мериме и на крајот контролираме композитните честички на невиден начин. Ова ни овозможува да создадеме нови врз основа на овие концепти. Квантот состојба на материјата и технологијата“.