Ett sekel efter upptäckten har människor fångat elektronomloppsbilden av excitoner för första gången

Forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) mätte momentumfördelningen av fotoelektroner som emitteras av excitoner i ett enda lager volframdiselenid, och tog bilder som visar de inre banorna eller den rumsliga fördelningen av partiklar i excitoner – det här är det här. ett mål som forskare inte har kunnat uppnå sedan excitonen upptäcktes för nästan ett sekel sedan.

Excitoner är det exciterade tillståndet hos materia som finns i halvledare - den här typen av material är nyckeln till många moderna tekniska enheter, såsom solceller, lysdioder, lasrar och smartphones.

"Excitoner är mycket unika och intressanta partiklar; de är elektriskt neutrala, vilket betyder att de beter sig i material väldigt annorlunda än andra partiklar som elektroner. Deras närvaro kan verkligen förändra hur material reagerar på ljus", säger Dr. Michael Man. den första författaren och vetenskapsmannen i Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Detta arbete för oss närmare att helt förstå excitonernas natur."

Excitoner bildas när en halvledare absorberar fotoner, vilket gör att negativt laddade elektroner hoppar från en låg energinivå till en hög energinivå. Detta lämnar positivt laddade vakanser vid lägre energinivåer, så kallade hål. De motsatt laddade elektronerna och hålen attraherar varandra, och de börjar kretsa runt varandra, vilket skapar excitoner.

Excitoner är avgörande i halvledare, men än så länge kan forskare bara upptäcka och mäta dem på ett begränsat sätt. Ett problem ligger i deras bräcklighet - det tar relativt lite energi att bryta ner excitoner till fria elektroner och hål. Dessutom är de flyktiga i naturen - i vissa material kommer excitoner att släckas inom några tusendelar av tiden efter att de har bildats, då de exciterade elektronerna "faller" tillbaka i hålet.

"Forskare upptäckte excitoner för första gången för cirka 90 år sedan", säger professor Keshav Dani, senior författare och chef för OIST:s femtosekundspektroskopigrupp. "Men tills nyligen fick människor vanligtvis bara de optiska egenskaperna hos excitoner - till exempel ljuset som sänds ut när excitoner försvinner. Andra aspekter av deras egenskaper, såsom deras rörelsemängd och hur elektroner och hål fungerar med varandra, kan bara vara härledd från Beskriv teoretiskt."

Men i december 2020 publicerade forskare från OIST Femtosecond Spectroscopy Group en artikel i tidskriften Science som beskrev en revolutionerande teknik för att mäta elektronernas momentum i excitoner. Nu, i numret av "Science Advances" den 21 april, använde teamet denna teknik för att för första gången ta bilder som visar fördelningen av elektroner runt hål i excitoner.

Forskarna genererade först excitoner genom att skicka laserpulser till en tvådimensionell halvledare - en typ av material som nyligen upptäcktes som bara är några få atomer tjockt och innehåller mer kraftfulla excitoner. Efter att excitonerna bildats använde forskargruppen en laserstråle med ultrahögenergifotoner för att bryta ner excitonerna och sparka elektronerna direkt ur materialet in i vakuumutrymmet i elektronmikroskopet. Elektronmikroskopet mäter vinkeln och energin hos elektroner när de flyger ut ur materialet. Utifrån denna information kan forskare bestämma det initiala momentumet när elektronerna kombineras med hålen i excitonerna.

"Den här tekniken har vissa likheter med kolliderexperimentet inom högenergifysik. I kollideraren slås partiklarna samman av stark energi, som bryter upp dem. Genom att mäta de mindre inre partiklarna som produceras i kollisionsbanan kan forskare börja splittras tillsammans den inre strukturen av den ursprungliga kompletta partikeln," sa professor Dani. "Här gör vi något liknande - vi använder extrema ultravioletta ljusfotoner för att bryta upp excitoner och mäter elektronernas banor för att beskriva vad som finns inuti."

"Det här är ingen enkel bedrift," fortsatte professor Dani. "Mätningen måste göras mycket noggrant - vid låg temperatur och låg intensitet för att undvika att värma upp excitonerna. Det tog några dagar att skaffa en bild. Till slut mätte teamet framgångsrikt excitonernas vågfunktion, och det gav The sannolikheten att elektronen kan vara belägen runt hålet.

"Detta arbete är ett viktigt framsteg inom detta område", säger Dr. Julien Madeo, den första författaren till studien och en vetenskapsman i Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Förmågan att visuellt se partiklars inre banor, eftersom de bildar större kompositpartiklar, vilket gör att vi kan förstå, mäta och i slutändan kontrollera kompositpartiklar på ett aldrig tidigare skådat sätt. Detta gör att vi kan skapa nya baserat på dessa koncept. Kvantumet materiens och teknikens tillstånd."