Et århundre etter å ha blitt oppdaget, har mennesker fanget elektronbanebildet av eksitoner for første gang

Forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) målte momentumfordelingen til fotoelektroner som sendes ut av eksitoner i et enkelt lag med wolframdiselenid, og tok bilder som viser de indre banene eller romlig fordeling av partikler i eksitoner – dette er dette. et mål som forskere ikke har klart å oppnå siden exciton ble oppdaget for nesten et århundre siden.

Excitoner er den eksiterte tilstanden til materie som finnes i halvledere - denne typen materiale er nøkkelen til mange moderne teknologiske enheter, som solceller, lysdioder, lasere og smarttelefoner.

"Eksitoner er veldig unike og interessante partikler; de er elektrisk nøytrale, noe som betyr at de oppfører seg i materialer veldig forskjellig fra andre partikler som elektroner. Deres tilstedeværelse kan virkelig endre måten materialer reagerer på lys på," sa Dr. Michael Man. den første forfatteren og vitenskapsmannen i Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Dette arbeidet bringer oss nærmere en fullstendig forståelse av eksitoners natur."

Eksitoner dannes når en halvleder absorberer fotoner, noe som får negativt ladede elektroner til å hoppe fra et lavt energinivå til et høyt energinivå. Dette etterlater positivt ladede ledige plasser ved lavere energinivåer, kalt hull. De motsatt ladede elektronene og hullene tiltrekker hverandre, og de begynner å gå i bane rundt hverandre, noe som skaper eksitoner.

Eksitoner er avgjørende i halvledere, men foreløpig kan forskere bare oppdage og måle dem på en begrenset måte. Et problem ligger i deres skjørhet - det tar relativt lite energi å bryte ned eksitoner til frie elektroner og hull. I tillegg er de flyktige i naturen - i noen materialer vil eksitoner slukkes innen noen få tusendeler av tiden etter at de er dannet, da vil de eksiterte elektronene "falle" tilbake i hullet.

"Forskere oppdaget eksitoner for første gang for rundt 90 år siden," sa professor Keshav Dani, seniorforfatter og leder av OISTs femtosekundspektroskopigruppe. "Men inntil nylig har folk vanligvis bare fått de optiske egenskapene til eksitoner - for eksempel lyset som sendes ut når eksitoner forsvinner. Andre aspekter av egenskapene deres, som momentum og hvordan elektroner og hull fungerer med hverandre, kan bare være avledet fra Beskriv teoretisk."

I desember 2020 publiserte imidlertid forskere fra OIST Femtosecond Spectroscopy Group en artikkel i tidsskriftet Science som beskrev en revolusjonerende teknikk for å måle impulsen til elektroner i eksitoner. Nå, i 21. april-utgaven av "Science Advances", brukte teamet denne teknologien til for første gang å fange bilder som viser fordelingen av elektroner rundt hull i eksitoner.

Forskerne genererte først eksitoner ved å sende laserpulser til en todimensjonal halvleder - en type materiale som nylig ble oppdaget som bare er noen få atomer tykk og inneholder kraftigere eksitoner. Etter at eksitonene er dannet, brukte forskergruppen en laserstråle med ultrahøyenergifotoner for å dekomponere eksitonene og sparke elektronene direkte ut av materialet og inn i vakuumrommet i elektronmikroskopet. Elektronmikroskopet måler vinkelen og energien til elektroner når de flyr ut av materialet. Fra denne informasjonen kan forskere bestemme det første momentumet når elektronene kombineres med hullene i eksitonene.

"Denne teknologien har noen likheter med collider-eksperimentet i høyenergifysikk. I kollideren blir partiklene knust sammen av sterk energi, og bryter dem opp. Ved å måle de mindre interne partiklene som produseres i kollisjonsbanen, kan forskere begynne å dele seg sammen den indre strukturen til den originale komplette partikkelen," sa professor Dani. "Her gjør vi noe lignende - vi bruker ekstreme ultrafiolette lysfotoner for å bryte opp eksitoner, og måler banene til elektroner for å beskrive hva som er inni."

"Dette er ikke en enkel prestasjon," fortsatte professor Dani. "Målingen må gjøres veldig nøye - ved lav temperatur og lav intensitet for å unngå oppvarming av eksitonene. Det tok noen dager å få et bilde. Til slutt målte teamet bølgefunksjonen til eksitonene, og det ga sannsynligheten for at elektronet kan være plassert rundt hullet.

"Dette arbeidet er et viktig fremskritt på dette feltet," sa Dr. Julien Madeo, den første forfatteren av studien og en vitenskapsmann i Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Evnen til visuelt å se de indre banene til partikler, fordi de danner større komposittpartikler, som lar oss forstå, måle og til slutt kontrollere komposittpartikler på en enestående måte. Dette gjør at vi kan lage nye basert på disse konseptene. Kvante tilstand av materie og teknologi."