Sto lat po odkryciu, ludzie po raz pierwszy uchwycili obraz ekscytonów z orbity elektronowej

Naukowcy z Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) zmierzyli rozkład pędu fotoelektronów emitowanych przez ekscytony w pojedynczej warstwie diselenku wolframu i przechwycili obrazy przedstawiające orbity wewnętrzne lub rozkład przestrzenny cząstek w ekscytonach. cel, którego naukowcy nie byli w stanie osiągnąć od czasu odkrycia ekscytonu prawie sto lat temu.

Ekscytony to wzbudzony stan materii występujący w półprzewodnikach – ten rodzaj materiału jest kluczem do wielu nowoczesnych urządzeń technologicznych, takich jak ogniwa słoneczne, diody LED, lasery i smartfony.

„Ekscytony są bardzo wyjątkowymi i interesującymi cząstkami; są elektrycznie obojętne, co oznacza, że ​​zachowują się w materiałach zupełnie inaczej niż inne cząstki, takie jak elektrony. Ich obecność może naprawdę zmienić sposób, w jaki materiały reagują na światło” – powiedział dr Michael Man. pierwszy autor i naukowiec w Grupie Spektroskopii Femtosekundowej OIST. „Ta praca przybliża nas do pełnego zrozumienia natury ekscytonów”.

Ekscytony powstają, gdy półprzewodnik pochłania fotony, co powoduje, że ujemnie naładowane elektrony przeskakują z niskiego poziomu energetycznego na wysoki. To pozostawia dodatnio naładowane wakaty na niższych poziomach energii, zwane dziurami. Przeciwnie naładowane elektrony i dziury przyciągają się i zaczynają krążyć wokół siebie, tworząc ekscytony.

Ekscytony są niezbędne w półprzewodnikach, ale jak dotąd naukowcy mogą je wykrywać i mierzyć tylko w ograniczonym zakresie. Jeden problem polega na ich kruchości — rozbicie ekscytonów na swobodne elektrony i dziury wymaga stosunkowo niewielkiej ilości energii. Ponadto mają one charakter ulotny – w niektórych materiałach ekscytony zostaną wygaszone w ciągu kilku tysięcznych czasu po ich utworzeniu, kiedy to wzbudzone elektrony „wpadną” z powrotem do dziury.

„Naukowcy po raz pierwszy odkryli ekscytony około 90 lat temu” – powiedział profesor Keshav Dani, starszy autor i szef grupy OIST zajmującej się spektroskopią femtosekundową. „Ale do niedawna ludzie zwykle otrzymywali tylko optyczne właściwości ekscytonów – na przykład światło emitowane, gdy ekscytony znikają. Inne aspekty ich właściwości, takie jak ich pęd oraz sposób, w jaki elektrony i dziury współpracują ze sobą, mogą być pochodzi z Opisz teoretycznie”.

Jednak w grudniu 2020 r. naukowcy z OIST Femtosecond Spectroscopy Group opublikowali w czasopiśmie Science artykuł opisujący rewolucyjną technikę pomiaru pędu elektronów w ekscytonach. Teraz, w wydaniu „Science Advances” z 21 kwietnia, zespół wykorzystał tę technologię do uchwycenia po raz pierwszy obrazów ukazujących rozkład elektronów wokół dziur w ekscytonach.

Naukowcy najpierw wygenerowali ekscytony, wysyłając impulsy laserowe do dwuwymiarowego półprzewodnika – niedawno odkrytego rodzaju materiału, który ma grubość zaledwie kilku atomów i zawiera silniejsze ekscytony. Po utworzeniu ekscytonów zespół badawczy wykorzystał wiązkę laserową z fotonami o ultrawysokiej energii do rozkładu ekscytonów i wyrzucenia elektronów bezpośrednio z materiału do przestrzeni próżniowej w mikroskopie elektronowym. Mikroskop elektronowy mierzy kąt i energię elektronów, gdy wylatują z materiału. Na podstawie tych informacji naukowcy mogą określić początkowy pęd, gdy elektrony łączą się z dziurami w ekscytonach.

„Ta technologia ma pewne podobieństwa z eksperymentem zderzacza w fizyce wysokich energii. W zderzaczu cząstki są zderzane ze sobą przez silną energię, rozbijając je. Mierząc mniejsze cząstki wewnętrzne wytworzone w trajektorii zderzenia, naukowcy mogą zacząć składać razem wewnętrzna struktura oryginalnej kompletnej cząstki” – powiedział profesor Dani. „Tutaj robimy coś podobnego – używamy fotonów skrajnego ultrafioletu do rozbijania ekscytonów i mierzymy trajektorie elektronów, aby opisać, co jest w środku”.

– To nie jest prosty wyczyn – kontynuowała profesor Dani. „Pomiar należy wykonać bardzo ostrożnie — w niskiej temperaturze i przy niskim natężeniu, aby uniknąć nagrzewania się ekscytonów. Uzyskanie obrazu zajęło kilka dni. W końcu zespół z powodzeniem zmierzył funkcję falową ekscytonów i dał prawdopodobieństwo, że elektron może znajdować się wokół dziury.

„Ta praca jest ważnym postępem w tej dziedzinie” – powiedział dr Julien Madeo, pierwszy autor badania i naukowiec z Grupy Spektroskopii Femtosekundowej OIST. „Możliwość wizualnego zobaczenia wewnętrznych orbit cząstek, ponieważ tworzą one większe cząstki kompozytowe, co pozwala nam zrozumieć, zmierzyć i ostatecznie kontrolować cząstki kompozytowe w niespotykany dotąd sposób. To pozwala nam tworzyć nowe w oparciu o te pojęcia. stan materii i technologii."