Az Okinawai Tudományos és Technológiai Intézet (OIST) kutatói megmérték az excitonok által kibocsátott fotoelektronok impulzus-eloszlását egyetlen volfrám-diszelenidrétegben, és képeket készítettek, amelyek az excitonokban lévő részecskék belső pályáját vagy térbeli eloszlását mutatják – ez ez. olyan cél, amelyet a tudósok nem tudtak elérni az exciton közel egy évszázaddal ezelőtti felfedezése óta.
Az excitonok a félvezetőkben található anyagok gerjesztett állapota – ez az anyagtípus számos modern technológiai eszköz, például napelemek, LED-ek, lézerek és okostelefonok kulcsa.
"Az excitonok nagyon egyedi és érdekes részecskék; elektromosan semlegesek, ami azt jelenti, hogy az anyagokban nagyon eltérően viselkednek más részecskéktől, például az elektronoktól. Jelenlétük valóban megváltoztathatja az anyagok fényre adott reakcióját" - mondta Dr. Michael Man. az OIST Femtoszekundumos spektroszkópiai csoportjának első szerzője és tudósa. "Ez a munka közelebb visz bennünket az excitonok természetének teljes megértéséhez."
Az excitonok akkor keletkeznek, amikor egy félvezető elnyeli a fotonokat, ami miatt a negatív töltésű elektronok alacsony energiaszintről magas energiaszintre ugranak. Ez pozitív töltésű üresedéseket hagy alacsonyabb energiaszinten, úgynevezett lyukakat. Az ellentétes töltésű elektronok és lyukak vonzzák egymást, és elkezdenek egymás körül keringeni, ami excitonokat hoz létre.
Az excitonok létfontosságúak a félvezetőkben, de a tudósok egyelőre csak korlátozottan tudják kimutatni és mérni őket. Az egyik probléma a törékenységükben rejlik – viszonylag kevés energiát igényel az excitonok szabad elektronokká és lyukakká történő lebontása. Ráadásul a természetben múlékonyak – egyes anyagokban az excitonok a keletkezésük után néhány ezredrészen belül kialszanak, ekkor a gerjesztett elektronok „visszaesnek” a lyukba.
"A tudósok körülbelül 90 évvel ezelőtt fedezték fel először az excitonokat" - mondta Keshav Dani professzor, vezető szerző és az OIST femtoszekundumos spektroszkópiai csoportjának vezetője. "De egészen a közelmúltig az emberek általában csak az excitonok optikai jellemzőit kapták meg – például az excitonok eltűnésekor kibocsátott fényt. Tulajdonságaik egyéb vonatkozásai, mint például a lendületük, valamint az elektronok és lyukak egymás közötti működése csak a Describe theoretically-ből származik."
2020 decemberében azonban az OIST Femtosecond Spectroscopy Group tudósai a Science folyóiratban publikáltak egy cikket, amelyben leírnak egy forradalmi technikát az elektronok impulzusának mérésére az excitonokban. Most, a "Science Advances" április 21-i számában a csapat ezzel a technológiával először készített olyan képeket, amelyek az elektronok eloszlását mutatják az excitonok lyukai körül.
A kutatók először úgy hoztak létre excitonokat, hogy lézerimpulzusokat küldtek egy kétdimenziós félvezetőhöz – egy olyan típusú anyagot, amelyet nemrég fedeztek fel, és amely mindössze néhány atom vastagságú, és erősebb excitonokat tartalmaz. Az excitonok kialakulása után a kutatócsoport ultranagy energiájú fotonokat tartalmazó lézersugarat használt az excitonok lebontására, és az elektronok közvetlenül az anyagból való kilövellésére az elektronmikroszkóp vákuumterébe. Az elektronmikroszkóp az anyagból kirepülő elektronok szögét és energiáját méri. Ebből az információból a tudósok meg tudják határozni azt a kezdeti lendületet, amikor az elektronok egyesülnek az excitonokban lévő lyukakkal.
"Ennek a technológiának van némi hasonlósága a nagyenergiájú fizikában végzett ütköztetős kísérlettel. Az ütközőben az erős energia hatására a részecskék összetörik, széttörik őket. Az ütközési pálya során keletkező kisebb belső részecskék mérésével a tudósok elkezdhetik darabolni. együtt az eredeti teljes részecske belső szerkezetét” – mondta Dani professzor. "Itt valami hasonlót csinálunk: extrém ultraibolya fény fotonokat használunk az excitonok feltörésére, és megmérjük az elektronok pályáját, hogy leírjuk, mi van benne."
– Ez nem egyszerű bravúr – folytatta Dani professzor. "A mérést nagyon óvatosan kell elvégezni – alacsony hőmérsékleten és alacsony intenzitással, hogy elkerüljük az excitonok felmelegedését. Néhány napba telt a kép elkészítése. Végül a csapat sikeresen megmérte az excitonok hullámfüggvényét, és megadta a annak valószínűsége, hogy az elektron a lyuk körül helyezkedik el.
"Ez a munka fontos előrelépés ezen a területen" - mondta Dr. Julien Madeo, a tanulmány első szerzője és az OIST Femtoszekundumos spektroszkópiai csoportjának tudósa. "Az a képesség, hogy vizuálisan lássuk a részecskék belső pályáit, mert nagyobb kompozit részecskéket alkotnak, ami lehetővé teszi az összetett részecskék megértését, mérését és végső soron példátlan módon történő irányítását. Ez lehetővé teszi, hogy ezeken a fogalmak alapján újakat hozzunk létre. A kvantum az anyag állapota és a technológia."
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. – Kína száloptikai modulok, üvegszálas csatolású lézergyártók, lézerkomponensek beszállítói. Minden jog fenntartva.
