Спустя столетие после открытия люди впервые получили изображение электронной орбиты экситонов.

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) измерили импульсное распределение фотоэлектронов, испускаемых экситонами в одиночном слое диселенида вольфрама, и получили изображения, показывающие внутренние орбиты или пространственное распределение частиц в экситонах — вот это. цель, которую ученые не смогли достичь с тех пор, как экситон был открыт почти столетие назад.

Экситоны — это возбужденное состояние вещества, обнаруженное в полупроводниках. Этот тип материала является ключом ко многим современным технологическим устройствам, таким как солнечные элементы, светодиоды, лазеры и смартфоны.

«Экситоны — очень уникальные и интересные частицы; они электрически нейтральны, а это означает, что они ведут себя в материалах совершенно иначе, чем другие частицы, такие как электроны. Их присутствие действительно может изменить то, как материалы реагируют на свет», — сказал доктор Майкл Мэн. первый автор и ученый группы фемтосекундной спектроскопии OIST. «Эта работа приближает нас к полному пониманию природы экситонов».

Экситоны образуются, когда полупроводник поглощает фотоны, что заставляет отрицательно заряженные электроны прыгать с низкого энергетического уровня на высокий энергетический уровень. Это оставляет положительно заряженные вакансии на более низких энергетических уровнях, называемых дырками. Разноименно заряженные электроны и дырки притягиваются друг к другу, и они начинают вращаться вокруг друг друга, что создает экситоны.

Экситоны имеют жизненно важное значение в полупроводниках, но пока ученые могут обнаруживать и измерять их лишь ограниченным образом. Одна из проблем заключается в их хрупкости: требуется относительно мало энергии, чтобы расщепить экситоны на свободные электроны и дырки. Кроме того, они носят мимолетный характер — в некоторых материалах экситоны будут гаснуть в течение нескольких тысячных долей времени после их образования, и в это время возбужденные электроны «упадут» обратно в дырку.

«Ученые впервые обнаружили экситоны около 90 лет назад, — сказал профессор Кешав Дани, старший автор и руководитель группы фемтосекундной спектроскопии OIST. «Но до недавнего времени люди обычно получали только оптические характеристики экситонов — например, свет, излучаемый при исчезновении экситонов. Другие аспекты их свойств, такие как их импульс и то, как электроны и дырки взаимодействуют друг с другом, могут быть только получено из описания теоретически».

Однако в декабре 2020 года ученые из группы фемтосекундной спектроскопии OIST опубликовали в журнале Science статью, описывающую революционный метод измерения импульса электронов в экситонах. Теперь, в выпуске «Science Advances» от 21 апреля, команда использовала эту технологию, чтобы впервые получить изображения, показывающие распределение электронов вокруг дырок в экситонах.

Сначала исследователи генерировали экситоны, отправляя лазерные импульсы в двумерный полупроводник — тип материала, открытый недавно, который имеет толщину всего в несколько атомов и содержит более мощные экситоны. После того, как экситоны сформированы, исследовательская группа использовала лазерный луч с фотонами сверхвысокой энергии, чтобы разложить экситоны и выбить электроны прямо из материала в вакуумное пространство в электронном микроскопе. Электронный микроскоп измеряет угол и энергию электронов, когда они вылетают из материала. Из этой информации ученые могут определить начальный импульс, когда электроны объединяются с дырками в экситонах.

«Эта технология имеет некоторое сходство с экспериментом на коллайдере в физике высоких энергий. В коллайдере частицы сталкиваются друг с другом под действием сильной энергии, разбивая их. вместе с внутренней структурой исходной полной частицы», — сказал профессор Дани. «Здесь мы делаем что-то подобное — мы используем фотоны экстремального ультрафиолетового света для разрушения экситонов и измеряем траектории электронов, чтобы описать, что внутри».

«Это не простой подвиг, — продолжил профессор Дани. «Измерение должно быть выполнено очень осторожно — при низкой температуре и малой интенсивности, чтобы избежать нагрева экситонов. На получение изображения ушло несколько дней. В конце концов, команда успешно измерила волновую функцию экситонов, и это дало вероятность того, что электрон может находиться вокруг дырки.

«Эта работа является важным достижением в этой области», — сказал доктор Жюльен Мадео, первый автор исследования и ученый из группы фемтосекундной спектроскопии OIST. «Возможность визуально видеть внутренние орбиты частиц, потому что они образуют более крупные составные частицы, что позволяет нам беспрецедентным образом понимать, измерять и в конечном итоге контролировать составные частицы. Это позволяет нам создавать новые на основе этих концепций. состояние материи и технологии».