Et århundrede efter at være blevet opdaget, har mennesker for første gang fanget elektronomløbsbilledet af excitoner

Forskere ved Okinawa Institut for Videnskab og Teknologi (OIST) målte momentumfordelingen af ​​fotoelektroner udsendt af excitoner i et enkelt lag wolframdiselenid og fangede billeder, der viser de interne baner eller rumlig fordeling af partikler i excitoner – dette er dette. et mål, som videnskabsmænd ikke har været i stand til at nå, siden excitonen blev opdaget for næsten et århundrede siden.

Excitoner er den ophidsede tilstand af stof, der findes i halvledere - denne type materiale er nøglen til mange moderne teknologiske enheder, såsom solceller, LED'er, lasere og smartphones.

"Excitoner er meget unikke og interessante partikler; de er elektrisk neutrale, hvilket betyder, at de opfører sig i materialer meget anderledes end andre partikler såsom elektroner. Deres tilstedeværelse kan virkelig ændre den måde, materialer reagerer på lys på," sagde Dr. Michael Man, Common. den første forfatter og videnskabsmand i Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Dette arbejde bringer os tættere på fuldt ud at forstå naturen af ​​excitoner."

Excitoner dannes, når en halvleder absorberer fotoner, hvilket får negativt ladede elektroner til at hoppe fra et lavt energiniveau til et højt energiniveau. Dette efterlader positivt ladede ledige pladser ved lavere energiniveauer, kaldet huller. De modsat ladede elektroner og huller tiltrækker hinanden, og de begynder at kredse om hinanden, hvilket skaber excitoner.

Excitoner er livsvigtige i halvledere, men indtil videre kan videnskabsmænd kun opdage og måle dem på en begrænset måde. Et problem ligger i deres skrøbelighed - det kræver relativt lidt energi at nedbryde excitoner til frie elektroner og huller. Derudover er de flygtige i naturen - i nogle materialer vil excitoner blive slukket inden for et par tusindedele af tiden efter de er dannet, på hvilket tidspunkt de exciterede elektroner "falder" tilbage i hullet.

"Forskere opdagede først excitoner for omkring 90 år siden," sagde professor Keshav Dani, seniorforfatter og leder af OISTs femtosekundspektroskopigruppe. "Men indtil for nylig fik folk normalt kun excitonernes optiske egenskaber - for eksempel lyset, der udsendes, når excitoner forsvinder. Andre aspekter af deres egenskaber, såsom deres momentum, og hvordan elektroner og huller arbejder med hinanden, kan kun være afledt af Beskriv teoretisk."

Men i december 2020 offentliggjorde forskere fra OIST Femtosecond Spectroscopy Group et papir i tidsskriftet Science, der beskriver en revolutionerende teknik til at måle elektronernes momentum i excitoner. Nu, i udgaven af ​​"Science Advances" den 21. april, brugte holdet denne teknologi til for første gang at fange billeder, der viser fordelingen af ​​elektroner omkring huller i excitoner.

Forskerne genererede først excitoner ved at sende laserimpulser til en todimensionel halvleder - en type materiale, der for nylig blev opdaget, og som kun er et par atomer tykt og indeholder kraftigere excitoner. Efter at excitonerne er dannet, brugte forskerholdet en laserstråle med ultrahøjenergifotoner til at nedbryde excitonerne og sparke elektronerne direkte ud af materialet ind i vakuumrummet i elektronmikroskopet. Elektronmikroskopet måler elektronernes vinkel og energi, når de flyver ud af materialet. Ud fra disse oplysninger kan videnskabsmænd bestemme det indledende momentum, når elektronerne kombineres med hullerne i excitonerne.

"Denne teknologi har nogle ligheder med collider-eksperimentet i højenergifysik. I collideren bliver partiklerne smadret sammen af ​​stærk energi, der bryder dem op. Ved at måle de mindre interne partikler, der produceres i kollisionsbanen, kan forskerne begynde at gå i stykker sammen den indre struktur af den originale komplette partikel," sagde professor Dani. "Her gør vi noget lignende - vi bruger ekstreme ultraviolette lysfotoner til at bryde excitoner op, og vi måler elektronernes baner for at beskrive, hvad der er indeni."

"Dette er ikke en simpel bedrift," fortsatte professor Dani. "Målingen skal udføres meget omhyggeligt - ved lav temperatur og lav intensitet for at undgå opvarmning af excitonerne. Det tog et par dage at opnå et billede. Til sidst målte holdet med succes excitonernes bølgefunktion, og det gav The sandsynlighed for, at elektronen kan være placeret rundt om hullet.

"Dette arbejde er et vigtigt fremskridt på dette område," sagde Dr. Julien Madeo, den første forfatter til undersøgelsen og en videnskabsmand i Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Evnen til visuelt at se partiklernes indre baner, fordi de danner større kompositpartikler, hvilket giver os mulighed for at forstå, måle og i sidste ende kontrollere kompositpartikler på en hidtil uset måde. Dette giver os mulighed for at skabe nye baseret på disse koncepter. Kvante materiens og teknologiens tilstand."