Έναν αιώνα μετά την ανακάλυψη, οι άνθρωποι απαθανάτισαν για πρώτη φορά την τροχιακή εικόνα των εξιτονίων

Ερευνητές στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα (OIST) μέτρησαν την κατανομή της ορμής των φωτοηλεκτρονίων που εκπέμπονται από εξιτόνια σε ένα μόνο στρώμα δισελενιούχου βολφραμίου και κατέγραψαν εικόνες που δείχνουν τις εσωτερικές τροχιές ή τη χωρική κατανομή των σωματιδίων σε εξιτόνια. Αυτό είναι ένας στόχος που οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να επιτύχουν από τότε που ανακαλύφθηκε το εξιτόν πριν από σχεδόν έναν αιώνα.

Τα εξιτόνια είναι η διεγερμένη κατάσταση της ύλης που βρίσκεται στους ημιαγωγούς - αυτός ο τύπος υλικού είναι το κλειδί για πολλές σύγχρονες τεχνολογικές συσκευές, όπως ηλιακά κύτταρα, LED, λέιζερ και smartphone.

"Τα εξιτόνια είναι πολύ μοναδικά και ενδιαφέροντα σωματίδια, είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, πράγμα που σημαίνει ότι συμπεριφέρονται στα υλικά πολύ διαφορετικά από άλλα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια. Η παρουσία τους μπορεί πραγματικά να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο αντιδρούν τα υλικά στο φως", δήλωσε ο Common, ο Δρ. Michael Man. ο πρώτος συγγραφέας και επιστήμονας στην Ομάδα Φασματοσκοπίας Femtosecond του OIST. «Αυτό το έργο μας φέρνει πιο κοντά στην πλήρη κατανόηση της φύσης των εξιτονών».

Τα εξιτόνια σχηματίζονται όταν ένας ημιαγωγός απορροφά φωτόνια, γεγονός που προκαλεί τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια να μεταπηδήσουν από ένα χαμηλό επίπεδο ενέργειας σε ένα υψηλό ενεργειακό επίπεδο. Αυτό αφήνει θετικά φορτισμένες θέσεις σε χαμηλότερα ενεργειακά επίπεδα, που ονομάζονται τρύπες. Τα αντίθετα φορτισμένα ηλεκτρόνια και οι οπές έλκονται μεταξύ τους και αρχίζουν να περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο, γεγονός που δημιουργεί εξιτόνια.

Τα εξιτόνια είναι ζωτικής σημασίας στους ημιαγωγούς, αλλά μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες μπορούν να τα ανιχνεύσουν και να τα μετρήσουν μόνο με περιορισμένο τρόπο. Ένα πρόβλημα έγκειται στην ευθραυστότητά τους - χρειάζεται σχετικά λίγη ενέργεια για τη διάσπαση των εξιτονίων σε ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές. Επιπλέον, είναι φευγαλέα στη φύση - σε ορισμένα υλικά, τα εξιτόνια θα σβήσουν μέσα σε λίγα χιλιοστά του χρόνου μετά τον σχηματισμό τους, οπότε τα διεγερμένα ηλεκτρόνια θα "πέσουν" ξανά στην τρύπα.

«Οι επιστήμονες ανακάλυψαν για πρώτη φορά εξιτόνια πριν από περίπου 90 χρόνια», είπε ο καθηγητής Keshav Dani, ανώτερος συγγραφέας και επικεφαλής της ομάδας φασματοσκοπίας femtosecond του OIST. "Αλλά μέχρι πρόσφατα, οι άνθρωποι είχαν συνήθως μόνο τα οπτικά χαρακτηριστικά των εξιτονίων -- για παράδειγμα, το φως που εκπέμπεται όταν εξαφανίζονται τα εξιόνια. Άλλες πτυχές των ιδιοτήτων τους, όπως η ορμή τους και ο τρόπος με τον οποίο τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες λειτουργούν μεταξύ τους, μπορούν να είναι προέρχεται από το Περιγράψτε θεωρητικά."

Ωστόσο, τον Δεκέμβριο του 2020, επιστήμονες από την OIST Femtosecond Spectroscopy Group δημοσίευσαν μια εργασία στο περιοδικό Science που περιγράφει μια επαναστατική τεχνική για τη μέτρηση της ορμής των ηλεκτρονίων στα εξιτόνια. Τώρα, στο τεύχος της 21ης ​​Απριλίου του "Science Advances", η ομάδα χρησιμοποίησε αυτήν την τεχνολογία για να συλλάβει για πρώτη φορά εικόνες που δείχνουν την κατανομή των ηλεκτρονίων γύρω από τις οπές στα εξιόνια.

Οι ερευνητές δημιούργησαν για πρώτη φορά εξιτόνια στέλνοντας παλμούς λέιζερ σε έναν δισδιάστατο ημιαγωγό - έναν τύπο υλικού που ανακαλύφθηκε πρόσφατα που έχει πάχος μόνο μερικών ατόμων και περιέχει πιο ισχυρά εξιτόνια. Μετά το σχηματισμό των εξιτονίων, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε μια δέσμη λέιζερ με φωτόνια εξαιρετικά υψηλής ενέργειας για να αποσυνθέσει τα εξιόνια και να κλωτσήσει τα ηλεκτρόνια απευθείας έξω από το υλικό στο χώρο κενού στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετρά τη γωνία και την ενέργεια των ηλεκτρονίων καθώς πετούν έξω από το υλικό. Από αυτές τις πληροφορίες, οι επιστήμονες μπορούν να προσδιορίσουν την αρχική ορμή όταν τα ηλεκτρόνια συνδυάζονται με τις οπές των εξιτονίων.

"Αυτή η τεχνολογία έχει κάποιες ομοιότητες με το πείραμα των επιταχυντών στη φυσική υψηλής ενέργειας. Στον επιταχυντή, τα σωματίδια συνθλίβονται μεταξύ τους από ισχυρή ενέργεια, διασπώντας τα. Μετρώντας τα μικρότερα εσωτερικά σωματίδια που παράγονται στην τροχιά σύγκρουσης, οι επιστήμονες μπορούν να αρχίσουν να κατασκευάζουν μαζί η εσωτερική δομή του αρχικού πλήρους σωματιδίου», είπε ο καθηγητής Dani. "Εδώ, κάνουμε κάτι παρόμοιο - χρησιμοποιούμε φωτόνια ακραίου υπεριώδους φωτός για να διασπάσουμε εξιόνια και μετράμε τις τροχιές των ηλεκτρονίων για να περιγράψουμε τι υπάρχει μέσα."

«Αυτό δεν είναι απλό κατόρθωμα», συνέχισε ο καθηγητής Dani. "Η μέτρηση πρέπει να γίνει πολύ προσεκτικά - σε χαμηλή θερμοκρασία και χαμηλή ένταση για να αποφευχθεί η θέρμανση των εξιτονίων. Χρειάστηκαν μερικές ημέρες για να αποκτηθεί μια εικόνα. Στο τέλος, η ομάδα μέτρησε με επιτυχία την κυματική συνάρτηση των εξιτονίων και έδωσε πιθανότητα το ηλεκτρόνιο να βρίσκεται γύρω από την οπή.

«Αυτή η εργασία είναι μια σημαντική πρόοδος σε αυτόν τον τομέα», δήλωσε ο Δρ. Julien Madeo, ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης και επιστήμονας στην Ομάδα Φασματοσκοπίας Femtosecond του OIST. "Η ικανότητα να βλέπουμε οπτικά τις εσωτερικές τροχιές των σωματιδίων, επειδή σχηματίζουν μεγαλύτερα σύνθετα σωματίδια, γεγονός που μας επιτρέπει να κατανοούμε, να μετράμε και τελικά να ελέγχουμε τα σύνθετα σωματίδια με έναν άνευ προηγουμένου τρόπο. Αυτό μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε νέα με βάση αυτές τις έννοιες. Το κβαντικό κατάσταση της ύλης και της τεχνολογίας».