Forskere banebrydende en revolutionerende ny metode til direkte at observere mørke excitoner

Indvarsler slutningen på en tiår lang søgen, i en lovende ny klasse af ekstremt tynde, todimensionale halvledere, forskere har for første gang direkte visualiseret og målt undvigende partikler, kaldet mørke excitoner, der ikke kan ses i lyset.

Den kraftfulde teknik, beskrevet i førende tidsskrift Videnskab , kunne revolutionere forskningen i todimensionale halvledere og excitoner, med store konsekvenser for fremtidige teknologiske enheder, fra solceller og lysdioder til smartphones og lasere.

Excitons er spændte tilstande, der findes i halvledere - en vigtig ingrediens i mange nuværende teknologier. De dannes, når elektroner i halvledermaterialet exciteres af lys til en højere energitilstand, efterlader et "hul" på energiniveauet, hvor elektronen tidligere boede.

"Huller er fraværet af en elektron, og så overføre den modsatte ladning til en elektron, "forklarede seniorforfatter professor Keshav Dani, der leder Femtosecond Spectroscopy Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Disse modsatte afgifter tiltrækker, og elektroner og huller binder sammen for at danne excitoner, der derefter kan bevæge sig gennem materialet. "

I almindelige halvledere, excitons slukkes på mindre end et par milliarddeler af et sekund efter oprettelsen. I øvrigt, de kan være 'skrøbelige, "hvilket gør dem svære at studere og manipulere. Men for omkring et årti siden, forskere opdagede todimensionale halvledere, hvor excitonerne er mere robuste.

"Robuste excitoner giver disse materialer virkelig unikke og spændende egenskaber, så der har været en masse intense undersøgelser på verdensplan med det formål at bruge dem til at oprette nye optoelektroniske enheder, sagde den første forfatter Dr. Julien Madéo, personaleforsker i OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. "Men i øjeblikket der er en stor begrænsning med den standard eksperimentelle teknik, der bruges til at måle excitoner. "

I øjeblikket, forskere bruger optiske spektroskopiteknikker - i det væsentlige måling af, hvilke lysbølgelængder der absorberes, reflekteres eller udsendes af halvledermaterialet - for at afdække oplysninger om excitons energistatus. Men optisk spektroskopi fanger kun en lille del af billedet.

Forskere har længe vidst, at kun en type exciton, kaldes lyse excitoner, kan interagere med lys. Men der findes også andre former for excitoner, herunder momentum-forbudte mørke excitoner. I denne type mørk exciton, elektronerne har en anden fremdrift end de huller, som de er bundet til, hvilket forhindrer dem i at absorbere lys. Dette betyder også, at elektroner i mørke excitoner har et andet momentum end elektronerne i lyse excitoner.

"Vi ved, at de findes, men vi kan ikke direkte se dem, vi kan ikke direkte undersøge dem, og derfor ved vi ikke, hvor vigtige de er, eller hvor meget de påvirker materialets optoelektroniske egenskaber, sagde Dr. Madéo.

Skinnende lys på mørke excitoner

For at visualisere mørke excitoner for første gang, forskerne ændrede en kraftfuld teknik, der tidligere stort set havde været brugt til at studere single, ubundne elektroner.

"Det var ikke klart, hvordan denne teknik ville fungere for excitoner, som er sammensatte partikler, hvor elektronerne er bundet. Der var meget teoretisk arbejde i det videnskabelige samfund, der diskuterede gyldigheden af ​​denne tilgang, "sagde prof. Dani.

Deres metode foreslog, at hvis en lysstråle indeholdende fotoner med tilstrækkelig energi blev brugt til at ramme excitoner i halvledermaterialet, energien fra fotonerne ville bryde excitonerne fra hinanden og sparke elektronerne lige ud af materialet.

Ved at måle den retning, elektronerne flyver ud af materialet, forskerne ville derefter kunne bestemme elektronernes startmoment, når de var en del af excitoner. Forskerne ville derfor ikke kun kunne se, men også differentiere, de lyse excitoner fra de mørke excitoner.

Men implementeringen af ​​denne nye teknik krævede at løse nogle enorme tekniske udfordringer. Forskerne havde brug for at generere lysimpulser med ekstrem ultraviolette fotoner med høj energi, der er i stand til at splitte excitonerne og sparke elektronerne ud af materialet. Instrumentet havde derefter brug for at kunne måle energien og vinklen på disse elektroner. Yderligere, da excitoner er så kortvarige, instrumentet skulle arbejde på tidsskalaer på mindre end tusind milliarder af et sekund. Endelig, instrumentet krævede også høj nok rumlig opløsning til at måle 2-D halvlederprøver, som typisk kun fås i størrelser på mikron.

"Da vi løste alle de tekniske problemer, og tændte instrumentet, dybest set var der på vores skærm excitonerne - det var virkelig fantastisk, sagde den første forfatter Dr. Michael Man, også fra OIST Femtosecond spektroskopi enhed.

Forskerne så, at som forudsagt, der var både lyse og mørke excitoner til stede i halvledermaterialet. Men til deres overraskelse, forskerne fandt også ud af, at mørke excitoner dominerede materialet, overstiger de lyse excitoner. Holdet bemærkede endvidere, at under visse betingelser, da de ophidsede elektroner spredte sig gennem materialet og ændrede momentum, excitonerne kan skifte mellem at være lyse eller mørke.

"De mørke excitons dominans og samspillet mellem de mørke og lyse excitoner tyder på, at mørke excitoner påvirker denne nye klasse af halvledere endnu mere i høj grad end forventet, sagde Dr. Madéo.

Denne teknik er et reelt gennembrud, "konkluderede prof. Dani." Det giver ikke kun den første observation af mørke excitoner og belyser deres egenskaber, men det indleder en ny æra i studiet af excitoner og andre ophidsede partikler. "