Дослідники з Окінавського інституту науки і техніки (OIST) виміряли розподіл імпульсів фотоелектронів, що випромінюються екситонами в одному шарі диселеніду вольфраму, і зробили зображення, що показують внутрішні орбіти або просторовий розподіл частинок в екситонах - це ось це. мети, якої вчені не змогли досягти, оскільки екситон був відкритий майже століття тому.
Екситони — це збуджений стан матерії, який можна знайти в напівпровідниках — цей тип матеріалу є ключем до багатьох сучасних технологічних пристроїв, таких як сонячні елементи, світлодіоди, лазери та смартфони.
«Екситони є дуже унікальними та цікавими частинками; вони електрично нейтральні, що означає, що вони поводяться в матеріалах дуже по-різному від інших частинок, таких як електрони. Їх присутність може дійсно змінити те, як матеріали реагують на світло», — сказав доктор Майкл Ман. перший автор і вчений у групі фемтосекундної спектроскопії OIST. «Ця робота наближає нас до повного розуміння природи екситонів».
Екситони утворюються, коли напівпровідник поглинає фотони, що змушує негативно заряджені електрони стрибати з низькоенергетичного рівня на високий. Це залишає позитивно заряджені вакансії на нижчих енергетичних рівнях, які називаються дірками. Протилежно заряджені електрони і дірки притягуються один одного, і вони починають обертатися один біля одного, що створює екситони.
Екситони є життєво важливими в напівпровідниках, але поки що вчені можуть виявляти та вимірювати їх лише обмеженим чином. Одна з проблем полягає в їх крихкості — для розщеплення екситонів на вільні електрони та дірки потрібно відносно мало енергії. Крім того, вони швидкоплинні в природі — у деяких матеріалах екситони згасають протягом кількох тисячних часу після їх утворення, і в цей час збуджені електрони «впадуть» назад у дірку.
«Учені вперше виявили екситони близько 90 років тому», — сказав професор Кешав Дані, старший автор і керівник групи фемтосекундної спектроскопії OIST. «Але донедавна люди зазвичай отримували лише оптичні характеристики екситонів – наприклад, світло, яке випромінюється при зникненні екситонів. Інші аспекти їхніх властивостей, такі як імпульс і те, як електрони та дірки працюють один з одним, можуть бути лише отримано з Опис теоретично».
Однак у грудні 2020 року вчені з групи фемтосекундної спектроскопії OIST опублікували в журналі Science стаття, в якій описують революційну техніку вимірювання імпульсу електронів в екситонах. Тепер, у випуску «Science Advances» від 21 квітня, команда використала цю технологію, щоб вперше отримати зображення, що показують розподіл електронів навколо дірок в екситонах.
Дослідники вперше генерували екситони, посилаючи лазерні імпульси до двовимірного напівпровідника - типу матеріалу, який нещодавно був відкритий, товщина якого всього кілька атомів і містить більш потужні екситони. Після формування екситонів дослідницька група використала лазерний промінь з фотонами надвисокої енергії, щоб розкласти екситони та виштовхнути електрони безпосередньо з матеріалу у вакуумний простір електронного мікроскопа. Електронний мікроскоп вимірює кут і енергію електронів, коли вони вилітають з матеріалу. З цієї інформації вчені можуть визначити початковий імпульс, коли електрони з’єднуються з дірками в екситонах.
«Ця технологія має певну схожість із експериментом з коллайдером у фізиці високих енергій. У коллайдері частинки розбиваються разом під дією сильної енергії, розбиваючи їх. Вимірюючи менші внутрішні частинки, що утворюються в траєкторії зіткнення, вчені можуть почати розбирати шматки. разом внутрішню структуру вихідної цілісної частинки", - сказав професор Дені. «Тут ми робимо щось подібне — використовуємо фотони екстремального ультрафіолетового світла для розщеплення екситонів і вимірюємо траєкторії електронів, щоб описати, що всередині».
«Це не простий подвиг», — продовжив професор Дані. «Вимірювання потрібно проводити дуже обережно — при низькій температурі та низькій інтенсивності, щоб уникнути нагрівання екситонів. Знадобилося кілька днів, щоб отримати зображення. Зрештою, команда успішно виміряла хвильову функцію екситонів, і це дало ймовірність того, що електрон може бути розташований навколо дірки.
«Ця робота є важливим досягненням у цій галузі», — сказав доктор Жюльєн Мадео, перший автор дослідження і вчений з групи фемтосекундної спектроскопії OIST. «Здатність візуально бачити внутрішні орбіти частинок, оскільки вони утворюють більші композитні частинки, що дозволяє нам безпрецедентним чином розуміти, вимірювати та в кінцевому підсумку керувати композитними частинками. Це дозволяє нам створювати нові на основі цих концепцій. Квант стан матерії та технології».
Авторське право @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. – Китайські волоконно-оптичні модулі, виробники оптоволоконних лазерів, постачальники лазерних компонентів. Усі права захищено.
