Forskere tager det første billede nogensinde af en elektronisk kredsløb inden for en exciton

I en verden først, forskere fra Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har taget et billede, der viser de interne baner, eller rumlig fordeling, af partikler i en exciton - et mål, der havde unddraget forskere i næsten et århundrede. Deres resultater offentliggøres i Videnskab fremskridt .

Excitons er spændte tilstande, der findes i halvledere - en klasse materialer, der er nøglen til mange moderne teknologiske enheder, såsom solceller, Lysdioder, lasere og smartphones.

"Excitons er virkelig unikke og interessante partikler; de er elektrisk neutrale, hvilket betyder, at de opfører sig meget forskelligt inden for materialer fra andre partikler som elektroner. Deres tilstedeværelse kan virkelig ændre den måde, et materiale reagerer på lys, "sagde Dr. Michael Man, medforfatter og medarbejder i OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. "Dette arbejde trækker os tættere på fuldt ud at forstå excitons art."

Excitoner dannes, når halvledere absorberer fotoner af lys, hvilket får negativt ladede elektroner til at springe fra et lavere energiniveau til et højere energiniveau. Dette efterlader positivt ladede tomme rum, kaldes huller, i det lavere energiniveau. De modsat ladede elektroner og huller tiltrækker, og de begynder at kredser om hinanden, som skaber excitonerne.

Excitons er afgørende inden for halvledere, men indtil videre, forskere har kun kunnet opdage og måle dem på begrænsede måder. Et problem ligger i deres skrøbelighed - det tager relativt lidt energi at bryde excitonen fra hinanden til frie elektroner og huller. Desuden, de er flygtige i naturen - i nogle materialer, excitons slukkes på omkring et par tusindedele af en milliarddel af et sekund efter at de dannes, når de ophidsede elektroner "falder" tilbage i hullerne.

"Forskere opdagede første gang excitoner for omkring 90 år siden, "sagde professor Keshav Dani, seniorforfatter og leder af Femtosecond Spectroscopy Unit hos OIST. "Men indtil for nylig man kunne generelt kun få adgang til excitons optiske signaturer - f.eks. lyset, der udsendes af en exciton, når den slukkes. Andre aspekter af deres natur, såsom deres momentum, og hvordan elektronen og hullet kredser om hinanden, kunne kun beskrives teoretisk. "

Imidlertid, i december 2020, forskere i OIST Femtosecond Spectroscopy Unit udgav et papir i Videnskab beskriver en revolutionerende teknik til måling af elektronernes momentum inden i excitonerne.

Nu, rapporterer i Videnskab fremskridt , holdet brugte teknikken til at fange det første billede nogensinde, der viser fordelingen af ​​en elektron omkring hullet inde i en exciton.

Forskerne genererede først excitoner ved at sende en laserpuls af lys til en todimensionel halvleder-en nyligt opdaget klasse af materialer, der kun er få atomer i tykkelse og har mere robuste excitoner.

Efter at excitonerne blev dannet, holdet brugte en laserstråle med fotoner med ultrahøj energi til at bryde excitonerne fra hinanden og sparke elektronerne lige ud af materialet, ind i vakuumrummet i et elektronmikroskop.

Elektronmikroskopet målte elektronernes vinkel og energi, da de fløj ud af materialet. Ud fra disse oplysninger, forskerne var i stand til at bestemme elektronens startmoment, når den var bundet til et hul i excitonen.

"Teknikken har nogle ligheder med kolliderforsøgene inden for højenergifysik, hvor partikler smadres sammen med intense mængder energi, bryde dem op. Ved at måle banerne for de mindre indre partikler, der produceres ved kollisionen, forskere kan begynde at sammensætte den indre struktur af de originale intakte partikler, "sagde professor Dani." Her, vi gør noget lignende - vi bruger ekstreme ultraviolette lysfotoner til at bryde excitoner fra hinanden og måle elektronernes baner til at forestille sig, hvad der er inde. "

"Dette var ingen ond bedrift, "fortsatte professor Dani." Målingerne skulle udføres med ekstrem forsigtighed - ved lav temperatur og lav intensitet for at undgå opvarmning af excitonerne. Det tog et par dage at få et enkelt billede. "

Ultimativt, det lykkedes teamet at måle excitons bølgefunktion, hvilket giver sandsynligheden for, hvor elektronen sandsynligvis vil være placeret omkring hullet.

"Dette arbejde er et vigtigt fremskridt på området, "sagde Dr. Julien Madeo, medforfatter og medarbejder i OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. "At være i stand til at visualisere partiklernes indre baner, når de danner større sammensatte partikler, kunne give os mulighed for at forstå, måle og i sidste ende kontrollere de sammensatte partikler på hidtil usete måder. Dette kan give os mulighed for at skabe nye kvantetilstande af materie og teknologi baseret på disse begreber. "