Vuosisadan löytämisen jälkeen ihmiset ovat saaneet ensimmäistä kertaa elektroniradan kuvan eksitoneista

Okinawan tiede- ja teknologiainstituutin (OIST) tutkijat mittasivat eksitonien emittoimien fotoelektronien liikemääräjakauman yhdessä volframidiselenidikerroksessa ja ottivat kuvia, jotka osoittavat eksitoneissa olevien hiukkasten sisäiset kiertoradat tai tilajakauman – tämä on tämä Se on tavoite, jota tiedemiehet eivät ole kyenneet saavuttamaan sen jälkeen, kun eksitoni löydettiin lähes sata vuotta sitten.

Eksitonit ovat puolijohteissa esiintyvä virittyneen aineen tila – tämäntyyppinen materiaali on avain moniin nykyaikaisiin teknologisiin laitteisiin, kuten aurinkokennoihin, LEDeihin, lasereihin ja älypuhelimiin.

"Eksitonit ovat hyvin ainutlaatuisia ja mielenkiintoisia hiukkasia; ne ovat sähköisesti neutraaleja, mikä tarkoittaa, että ne käyttäytyvät materiaaleissa hyvin eri tavalla kuin muut hiukkaset, kuten elektronit. Niiden läsnäolo voi todella muuttaa tapaa, jolla materiaalit reagoivat valoon", tohtori Michael Man sanoi. ensimmäinen kirjailija ja tiedemies OISTin Femtosecond Spectroscopy Groupissa. "Tämä työ tuo meidät lähemmäksi eksitonien luonteen täydellistä ymmärtämistä."

Eksitonit muodostuvat, kun puolijohde absorboi fotoneja, mikä saa negatiivisesti varautuneiden elektronien hyppäämään alhaiselta energiatasolta korkealle energiatasolle. Tämä jättää positiivisesti varautuneita avoimia työpaikkoja alhaisemmille energiatasoille, joita kutsutaan reikiksi. Vastakkaisesti varautuneet elektronit ja reiät vetävät toisiaan puoleensa ja alkavat kiertää toisiaan, mikä luo eksitoneja.

Eksitonit ovat elintärkeitä puolijohteissa, mutta toistaiseksi tiedemiehet ovat pystyneet havaitsemaan ja mittaamaan niitä vain rajoitetulla tavalla. Yksi ongelma on niiden hauraus - eksitonien hajottaminen vapaiksi elektroneiksi ja aukoksi vie suhteellisen vähän energiaa. Lisäksi ne ovat ohikiitäviä luonnossa - joissakin materiaaleissa eksitonit sammuvat muutaman tuhannesosan kuluessa niiden muodostumisesta, jolloin virittyneet elektronit "pudottavat" takaisin reikään.

"Tutkijat löysivät eksitonit ensimmäisen kerran noin 90 vuotta sitten", sanoi professori Keshav Dani, vanhempi kirjailija ja OISTin femtosekuntispektroskopiaryhmän johtaja. "Mutta viime aikoihin asti ihmiset saivat yleensä vain eksitonien optiset ominaisuudet - esimerkiksi valon, joka säteilee eksitonien katoamisen yhteydessä. Muut niiden ominaisuuksien aspektit, kuten niiden liikemäärä ja elektronien ja aukkojen välinen toiminta, voivat olla vain johdettu kohdasta Kuvaile teoreettisesti."

Kuitenkin joulukuussa 2020 OIST Femtosecond Spectroscopy Groupin tutkijat julkaisivat Science-lehdessä artikkelin, jossa kuvataan vallankumouksellinen tekniikka elektronien liikemäärän mittaamiseksi eksitoneissa. Nyt, "Science Advancesin" 21. huhtikuuta ilmestyneessä numerossa, tiimi käytti tätä tekniikkaa kaapatakseen ensimmäistä kertaa kuvia, jotka osoittavat elektronien jakautumisen eksitonien reikien ympärillä.

Tutkijat synnyttivät ensin eksitonit lähettämällä laserpulsseja kaksiulotteiseen puolijohteeseen – äskettäin löydettyyn materiaaliin, joka on vain muutaman atomin paksuinen ja sisältää tehokkaampia eksitoneja. Kun eksitonit olivat muodostuneet, tutkimusryhmä käytti lasersädettä, jossa oli erittäin korkean energian fotoneja, hajottaakseen eksitonit ja potkaistakseen elektronit suoraan materiaalista elektronimikroskoopin tyhjiötilaan. Elektronimikroskooppi mittaa elektronien kulman ja energian, kun ne lentävät ulos materiaalista. Näiden tietojen perusteella tutkijat voivat määrittää alkuperäisen liikemäärän, kun elektronit yhdistyvät eksitonien reikiin.

"Tällä tekniikalla on joitain yhtäläisyyksiä korkeaenergisen fysiikan törmäyskokeen kanssa. Törmäyttimessä hiukkaset murskaavat yhteen vahvan energian vaikutuksesta, jolloin ne hajoavat. Mitaamalla törmäysradalla syntyneet pienemmät sisäiset hiukkaset tutkijat voivat alkaa palamaan. yhdessä alkuperäisen täydellisen hiukkasen sisäisen rakenteen", professori Dani sanoi. "Tässä teemme jotain samanlaista - käytämme äärimmäisiä ultraviolettivalofotoneja eksitonien hajottamiseksi ja mittaamme elektronien liikeradat kuvaamaan, mitä sisällä on."

"Tämä ei ole yksinkertainen saavutus", professori Dani jatkoi. "Mittaus on tehtävä erittäin huolellisesti - alhaisessa lämpötilassa ja alhaisella intensiteetillä, jotta eksitonit eivät kuumene. Kuvan saaminen kesti muutaman päivän. Lopulta tiimi mittasi onnistuneesti eksitonien aaltofunktion, ja se antoi todennäköisyys, että elektroni sijaitsee reiän ympärillä.

"Tämä työ on tärkeä edistysaskel tällä alalla", sanoi tohtori Julien Madeo, tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja ja tiedemies OISTin Femtosecond Spectroscopy Groupissa. "Kyky nähdä visuaalisesti hiukkasten sisäiset kiertoradat, koska ne muodostavat suurempia komposiittihiukkasia, mikä mahdollistaa komposiittihiukkasten ymmärtämisen, mittaamisen ja viime kädessä hallitsemisen ennennäkemättömällä tavalla. Näin voimme luoda uusia näiden käsitteiden pohjalta. Kvantti aineen ja tekniikan tila."