Inleder slutet på ett decennium långt uppdrag, i en lovande ny klass av extremt tunna, tvådimensionella halvledare, forskare har för första gången direkt visualiserat och uppmätt svårfångade partiklar, kallas mörka excitoner, som inte kan ses av ljuset.

Den kraftfulla tekniken, beskrivs i ledande tidskrift Vetenskap , kan revolutionera forskningen kring tvådimensionella halvledare och excitoner, med djupa konsekvenser för framtida tekniska enheter, från solceller och lysdioder till smartphones och lasrar.

Excitons är upphetsade tillstånd av materia som finns i halvledare - en viktig ingrediens i många nuvarande tekniker. De bildas när elektroner i halvledarmaterialet exciteras av ljus till ett högre energiläge, lämnar efter sig ett "hål" på energinivån där elektronen tidigare bodde.

"Hål är frånvaron av en elektron, och så bär den motsatta laddningen till en elektron, "förklarade seniorförfattaren professor Keshav Dani, som leder Femtosecond Spectroscopy Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Dessa motsatta avgifter lockar, och elektroner och hål binder samman för att bilda excitoner som sedan kan röra sig genom materialet. "

I vanliga halvledare, excitoner släcks på mindre än några miljarder av en sekund efter skapelsen. Dessutom, de kan vara "sköra, "vilket gör dem svåra att studera och manipulera. Men för ungefär ett decennium sedan, forskare upptäckte tvådimensionella halvledare, där excitonerna är mer robusta.

"Robusta excitoner ger dessa material riktigt unika och spännande egenskaper, så det har varit många intensiva studier världen över som syftar till att använda dem för att skapa nya optoelektroniska enheter, "sa förste författaren Dr Julien Madéo, personalvetare vid OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. "Men just nu, det finns en stor begränsning med standard experimentell teknik som används för att mäta excitoner. "

För närvarande, forskare använder optisk spektroskopiteknik - i huvudsak mäter vilka ljusets våglängder som absorberas, reflekteras eller avges av halvledarmaterialet - för att avslöja information om energitillstånden för excitoner. Men optisk spektroskopi fångar bara en liten del av bilden.

Forskare har länge vetat att endast en typ av exciton, kallas ljusa excitoner, kan interagera med ljus. Men andra typer av excitoner finns också, inklusive momentum-förbjudna mörka excitoner. I denna typ av mörk exciton, elektronerna har en annan fart än de hål som de är bundna till, vilket hindrar dem från att absorbera ljus. Detta innebär också att elektroner i mörka excitoner har en annan fart än elektronerna i ljusa excitoner.

"Vi vet att de finns, men vi kan inte se dem direkt, vi kan inte undersöka dem direkt, och därför vet vi inte hur viktiga de är, eller hur mycket de påverkar materialets optoelektroniska egenskaper, sa doktor Madéo.

Lysande ljus på mörka excitoner

För att visualisera mörka excitoner för första gången, forskarna modifierade en kraftfull teknik som tidigare till stor del hade använts för att studera singel, obundna elektroner.

"Det var inte klart hur denna teknik skulle fungera för excitoner, som är sammansatta partiklar där elektronerna är bundna. Det fanns mycket teoretiskt arbete inom det vetenskapliga samfundet som diskuterade giltigheten av detta tillvägagångssätt, "sade prof. Dani.

Deras metod föreslog att om en ljusstråle innehållande fotoner med tillräckligt hög energi användes för att träffa excitoner i halvledarmaterialet, energin från fotonerna skulle bryta isär excitonerna och sparka elektronerna direkt ur materialet.

Genom att mäta riktningen som elektronerna flyger ut ur materialet, forskarna skulle då kunna bestämma elektronernas initialmoment när de var en del av excitoner. Forskarna skulle därför inte bara kunna se, men också skilja på, de ljusa excitonerna från de mörka excitonerna.

Men att implementera denna nya teknik krävde lösning av några enorma tekniska utmaningar. Forskarna behövde generera ljuspulser med extrema ultravioletta fotoner med hög energi som kan splittra excitonerna och sparka ut elektronerna ur materialet. Instrumentet behövde då kunna mäta energin och vinkeln hos dessa elektroner. Ytterligare, eftersom excitoner är så kortlivade, instrumentet var tvungen att arbeta på tidsskalor på mindre än tusen miljarder sekunder av en sekund. Slutligen, instrumentet krävde också tillräckligt hög rumslig upplösning för att mäta 2-D halvledarprover, som vanligtvis endast finns i mikronskalstorlekar.

"När vi löste alla tekniska problem, och slog på instrumentet, i grunden fanns det excitoner på vår skärm - det var verkligen fantastiskt, "sa den första författaren Dr. Michael Man, även från OIST Femtosecond Spectroscopy Unit.

Forskarna såg att som förutsagt, det fanns både ljusa och mörka excitoner närvarande i halvledarmaterialet. Men till deras förvåning, forskarna fann också att mörka excitoner dominerade materialet, fler än de ljusa excitonerna. Teamet observerade vidare att under vissa förutsättningar, som de upphetsade elektronerna spridda genom materialet och förändrade momentum, excitonerna kan växla mellan att vara ljusa eller mörka.

"De mörka excitonernas dominans och samspelet mellan de mörka och ljusa excitonerna tyder på att mörka excitoner påverkar denna nya klass av halvledare ännu mer mycket än förväntat, sa doktor Madéo.

Denna teknik är ett verkligt genombrott, "avslutade prof. Dani." Det ger inte bara den första observationen av mörka excitoner och belyser deras egenskaper, men det inleder en ny era i studiet av excitoner och andra upphetsade partiklar. "