Excitoner är tekniskt sett inte partiklar, men kvasipartiklar (kvasi- betyder "nästan" på latin). De bildas av den elektrostatiska attraktionen mellan exciterade, negativt laddade elektroner, och positivt laddade hål. Hål är utrymmen som lämnas kvar av de exciterade elektronerna och är i sig en typ av kvasipartiklar. Kredit:OIST
I en världsnyhet, forskare från Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har tagit en bild som visar de inre banorna, eller rumslig fördelning, av partiklar i en exciton – ett mål som hade undgått forskare i nästan ett sekel. Deras resultat publiceras i Vetenskapliga framsteg .
Excitoner är exciterade tillstånd av materia som finns i halvledare - en klass av material som är nyckeln till många moderna tekniska enheter, som solceller, lysdioder, lasrar och smartphones.
"Excitoner är verkligen unika och intressanta partiklar; de är elektriskt neutrala vilket betyder att de beter sig väldigt annorlunda i material än andra partiklar som elektroner. Deras närvaro kan verkligen förändra hur ett material reagerar på ljus, " sa Dr. Michael Man, co-förste författare och personal forskare i OIST Femtosekund Spectroscopy Unit. "Detta arbete drar oss närmare till att helt förstå excitonernas natur."
Excitoner bildas när halvledare absorberar fotoner av ljus, vilket gör att negativt laddade elektroner hoppar från en lägre energinivå till en högre energinivå. Detta lämnar efter sig positivt laddade tomma utrymmen, kallas hål, i den lägre energinivån. De motsatt laddade elektronerna och hålen drar till sig och de börjar kretsa runt varandra, som skapar excitonerna.
Excitoner är avgörande inom halvledare, men hittills, forskare har bara kunnat upptäcka och mäta dem på begränsade sätt. En fråga ligger i deras bräcklighet - det tar relativt lite energi att bryta isär excitonen till fria elektroner och hål. Vidare, de är flyktiga i naturen - i vissa material, excitoner släcks på ungefär några tusendelar av en miljarddels sekund efter att de bildats, när de exciterade elektronerna "faller" tillbaka i hålen.
Instrumentet använder en initial pumppuls av ljus för att excitera elektroner och generera excitoner. Detta följs snabbt av en andra ljuspuls som använde extrema ultravioletta fotoner för att sparka elektronerna i excitonerna ut ur materialet och in i vakuumet i ett elektronmikroskop. Elektronmikroskopet mäter sedan energin och vinkeln som elektronerna lämnade materialet för att bestämma impulsen för elektronen runt hålet i excitonen. Kredit:OIST
"Forskare upptäckte excitoner för första gången för cirka 90 år sedan, sa professor Keshav Dani, senior författare och chef för Femtosekundspektroskopienheten vid OIST. "Men fram till helt nyligen, man kunde i allmänhet bara komma åt excitonernas optiska signaturer – till exempel, ljuset som avges av en exciton när den släcks. Andra aspekter av deras natur, såsom deras fart, och hur elektronen och hålet kretsar runt varandra, kunde bara beskrivas teoretiskt."
Dock, i december 2020, forskare i OIST Femtosecond Spectroscopy Unit publicerade ett papper i Vetenskap beskriver en revolutionerande teknik för att mäta impulsen av elektronerna i excitonerna.
Nu, rapporterar in Vetenskapliga framsteg , teamet använde tekniken för att fånga den första bilden någonsin som visar fördelningen av en elektron runt hålet inuti en exciton.
Forskarna genererade först excitoner genom att skicka en laserpuls av ljus till en tvådimensionell halvledare - en nyligen upptäckt klass av material som bara är några få atomer i tjocklek och har mer robusta excitoner.
Efter att excitonerna bildades, laget använde en laserstråle med ultrahögenergifotoner för att bryta isär excitonerna och sparka elektronerna direkt ur materialet, in i vakuumutrymmet i ett elektronmikroskop.
I de mycket smås fysik, konstiga kvantbegrepp gäller. Elektroner fungerar som både partiklar och vågor och det är därför omöjligt att veta både positionen och rörelsemängden för en elektron samtidigt. Istället, ett excitons sannolikhetsmoln visar var elektronen med största sannolikhet finns runt hålet. Forskargruppen genererade en bild av excitonens sannolikhetsmoln genom att mäta vågfunktionen. Kredit:OIST
Elektronmikroskopet mätte vinkeln och energin hos elektronerna när de flög ut ur materialet. Från denna information, forskarna kunde bestämma elektronens initiala momentum när den var bunden till ett hål i excitonen.
"Tekniken har vissa likheter med kolliderexperimenten inom högenergifysik, där partiklar krossas tillsammans med intensiva mängder energi, bryta upp dem. Genom att mäta banorna för de mindre inre partiklarna som produceras i kollisionen, forskare kan börja pussla ihop den interna strukturen hos de ursprungliga intakta partiklarna, " sade professor Dani. "Här, vi gör något liknande - vi använder extrema ultravioletta ljusfotoner för att bryta isär excitoner och mäter elektronernas banor för att se vad som finns inuti."
"Detta var ingen dum bedrift, " fortsatte professor Dani. "Mätningarna var tvungna att göras med extrem försiktighet - vid låg temperatur och låg intensitet för att undvika att värma upp excitonerna. Det tog några dagar att skaffa en enda bild."
I sista hand, teamet lyckades mäta excitonens vågfunktion, vilket ger sannolikheten för var elektronen sannolikt finns runt hålet.
"Detta arbete är ett viktigt framsteg på området, " sa Dr Julien Madeo, medförste författare och personalvetare i OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. "Att kunna visualisera partiklars inre banor när de bildar större sammansatta partiklar kan tillåta oss att förstå, mäta och i slutändan kontrollera kompositpartiklarna på ett aldrig tidigare skådat sätt. Detta kan tillåta oss att skapa nya kvanttillstånd av materia och teknologi baserat på dessa koncept."
