Století poté, co byli objeveni, lidé poprvé zachytili elektronový orbitální obraz excitonů

Výzkumníci z Okinawského institutu vědy a technologie (OIST) měřili distribuci hybnosti fotoelektronů emitovaných excitony v jedné vrstvě diselenidu wolframu a pořídili snímky ukazující vnitřní dráhy nebo prostorové rozložení částic v excitonech – toto je ono cíl, kterého vědci nebyli schopni dosáhnout od objevení excitonu před téměř stoletím.

Excitony jsou excitovaný stav hmoty nacházející se v polovodičích – tento typ materiálu je klíčem k mnoha moderním technologickým zařízením, jako jsou solární články, LED diody, lasery a chytré telefony.

"Excitony jsou velmi unikátní a zajímavé částice; jsou elektricky neutrální, což znamená, že se v materiálech chovají velmi odlišně od jiných částic, jako jsou elektrony. Jejich přítomnost může skutečně změnit způsob, jakým materiály reagují na světlo," řekl Common řekl Dr. Michael Man, první autor a vědec ve skupině Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Tato práce nás přibližuje k plnému pochopení podstaty excitonů."

Excitony se tvoří, když polovodič absorbuje fotony, což způsobuje, že záporně nabité elektrony přeskakují z nízké energetické hladiny na vysokou energetickou hladinu. To ponechává kladně nabitá prázdná místa na nižších energetických hladinách, nazývaných díry. Opačně nabité elektrony a díry se vzájemně přitahují a začnou kolem sebe obíhat, čímž vznikají excitony.

Excitony jsou v polovodičích životně důležité, ale vědci je zatím dokážou detekovat a měřit jen omezeně. Jeden problém spočívá v jejich křehkosti – rozbití excitonů na volné elektrony a díry vyžaduje relativně málo energie. Navíc jsou v přírodě pomíjivé – v některých materiálech budou excitony uhaseny během několika tisícin času poté, co se vytvoří, a v tu chvíli excitované elektrony „spadnou“ zpět do díry.

"Vědci poprvé objevili excitony asi před 90 lety," řekl profesor Keshav Dani, hlavní autor a vedoucí skupiny femtosekundové spektroskopie OIST. "Ale až donedávna lidé obvykle získali pouze optické vlastnosti excitonů - například světlo emitované, když excitony zmizí. Další aspekty jejich vlastností, jako je jejich hybnost a jak spolu elektrony a díry spolupracují, mohou být odvozeno z Popište teoreticky."

V prosinci 2020 však vědci z OIST Femtosecond Spectroscopy Group publikovali v časopise Science článek popisující revoluční techniku ​​měření hybnosti elektronů v excitonech. Nyní, ve vydání „Science Advances“ z 21. dubna, tým použil tuto technologii k prvnímu zachycení snímků ukazujících rozložení elektronů kolem děr v excitonech.

Výzkumníci nejprve generovali excitony odesláním laserových pulsů do dvourozměrného polovodiče - nedávno objeveného typu materiálu, který má tloušťku jen několik atomů a obsahuje silnější excitony. Poté, co se vytvoří excitony, výzkumný tým použil laserový paprsek s ultravysokými energetickými fotony k rozkladu excitonů a vyražení elektronů přímo z materiálu do vakuového prostoru v elektronovém mikroskopu. Elektronový mikroskop měří úhel a energii elektronů, když vylétají z materiálu. Z těchto informací mohou vědci určit počáteční hybnost, kdy se elektrony spojí s otvory v excitonech.

"Tato technologie má určité podobnosti s experimentem s urychlovačem ve fyzice vysokých energií. V urychlovači se částice rozbijí dohromady silnou energií a rozbijí je. Změřením menších vnitřních částic produkovaných při srážkové trajektorii mohou vědci začít kousat." dohromady vnitřní strukturu původní kompletní částice,“ řekl profesor Dani. "Tady děláme něco podobného - používáme fotony extrémního ultrafialového světla k rozbití excitonů a měříme trajektorie elektronů, abychom popsali, co je uvnitř."

"To není jednoduchý čin," pokračoval profesor Dani. "Měření musí být provedeno velmi pečlivě - při nízké teplotě a nízké intenzitě, aby se zabránilo zahřívání excitonů. Získat snímek trvalo několik dní. Nakonec tým úspěšně změřil vlnovou funkci excitonů a poskytl pravděpodobnost, že se elektron může nacházet kolem díry.

"Tato práce je důležitým pokrokem v této oblasti," řekl Dr. Julien Madeo, první autor studie a vědec ve Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Schopnost vizuálně vidět vnitřní dráhy částic, protože tvoří větší kompozitní částice, což nám umožňuje porozumět, měřit a nakonec řídit kompozitní částice bezprecedentním způsobem. To nám umožňuje vytvářet nové na základě těchto konceptů. Kvantové stav hmoty a technologie."