Praėjus šimtmečiui po atradimo, žmonės pirmą kartą užfiksavo elektronų orbitos eksitonų vaizdą

Okinavos mokslo ir technologijos instituto (OIST) mokslininkai išmatavo eksitonų skleidžiamų fotoelektronų impulsų pasiskirstymą viename volframo diselenido sluoksnyje ir užfiksavo vaizdus, ​​rodančius vidines orbitas arba erdvinį dalelių pasiskirstymą eksitonuose – štai kas. tikslas, kurio mokslininkams nepavyko pasiekti nuo tada, kai beveik prieš šimtmetį buvo atrastas eksitonas.

Eksitonai yra sužadinta puslaidininkiuose esančios medžiagos būsena – šios rūšies medžiaga yra daugelio šiuolaikinių technologinių prietaisų, tokių kaip saulės elementai, šviesos diodai, lazeriai ir išmanieji telefonai, raktas.

"Eksitonai yra labai unikalios ir įdomios dalelės; jos yra elektra neutralios, o tai reiškia, kad medžiagose jie elgiasi labai skirtingai nei kitose dalelėse, pvz., elektronuose. Jų buvimas iš tikrųjų gali pakeisti medžiagų reakciją į šviesą", - sakė dr. Michaelas Manas. pirmasis OIST Femtosekundinės spektroskopijos grupės autorius ir mokslininkas. "Šis darbas priartina mus prie visiško eksitonų prigimties supratimo."

Eksitonai susidaro, kai puslaidininkis sugeria fotonus, todėl neigiamai įkrauti elektronai peršoka iš žemo energijos lygio į aukštą energijos lygį. Tai palieka teigiamai įkrautas laisvas darbo vietas esant žemesniam energijos lygiui, vadinamoms skylutėmis. Priešingai įkrauti elektronai ir skylės traukia vienas kitą, ir jie pradeda skrieti vienas apie kitą, o tai sukuria eksitonus.

Eksitonai yra gyvybiškai svarbūs puslaidininkiuose, tačiau kol kas mokslininkai gali juos aptikti ir išmatuoti tik ribotai. Viena problema yra jų trapumas – eksitonams suskaidyti į laisvuosius elektronus ir skyles reikia palyginti nedaug energijos. Be to, gamtoje jie yra trumpalaikiai – kai kuriose medžiagose eksitonai užges per kelias tūkstantąsias laiko po jų susidarymo, o tuo metu sužadinti elektronai „nukris“ atgal į skylę.

„Mokslininkai pirmą kartą atrado eksitonus maždaug prieš 90 metų“, – sakė vyresnysis autorius ir OIST femtosekundinės spektroskopijos grupės vadovas profesorius Keshavas Dani. "Tačiau dar visai neseniai žmonės dažniausiai pasižymėjo tik optinėmis eksitonų savybėmis, pavyzdžiui, šviesa, skleidžiama, kai eksitonai išnyksta. Kiti jų savybių aspektai, tokie kaip impulsas ir elektronų bei skylių tarpusavio sąveika, gali būti tik kilęs iš Aprašyk teoriškai“.

Tačiau 2020 m. gruodį mokslininkai iš OIST Femtosekundinės spektroskopijos grupės žurnale Science paskelbė straipsnį, kuriame aprašoma revoliucinė elektronų impulso eksitonuose matavimo technika. Dabar, balandžio 21 d. „Mokslo pažangos“ numeryje, komanda panaudojo šią technologiją, kad pirmą kartą užfiksuotų vaizdus, ​​rodančius elektronų pasiskirstymą aplink skyles eksitonuose.

Pirmiausia mokslininkai sukūrė eksitonus, siųsdami lazerio impulsus į dvimatį puslaidininkį – neseniai atrastą medžiagą, kurios storis yra vos keli atomai ir kurioje yra galingesnių eksitonų. Po to, kai susiformavo eksitonai, tyrėjų komanda panaudojo lazerio spindulį su itin didelės energijos fotonais, kad suskaidytų eksitonus ir išstumtų elektronus tiesiai iš medžiagos į elektronų mikroskopo vakuuminę erdvę. Elektroninis mikroskopas matuoja elektronų kampą ir energiją, kai jie skrenda iš medžiagos. Remdamiesi šia informacija, mokslininkai gali nustatyti pradinį impulsą, kai elektronai susijungia su skylutėmis eksitonuose.

"Ši technologija turi tam tikrų panašumų su greitintuvo eksperimentu didelės energijos fizikoje. Greitintuve dalelės sudaužomos stiprios energijos dėka, jas suskaidant. Išmatavę mažesnes vidines daleles, susidariusias susidūrimo trajektorijoje, mokslininkai gali pradėti dalytis. kartu vidinę pradinės pilnos dalelės struktūrą“, – sakė profesorius Dani. „Čia mes darome kažką panašaus – naudojame ekstremalių ultravioletinių spindulių fotonus eksitonams suskaidyti ir matuojame elektronų trajektorijas, kad apibūdintume, kas yra viduje.

„Tai nėra paprastas žygdarbis“, – tęsė profesorius Dani. "Matavimas turi būti atliekamas labai atsargiai – esant žemai temperatūrai ir mažam intensyvumui, kad eksitonai neįkaistų. Vaizdui gauti prireikė kelių dienų. Galų gale komanda sėkmingai išmatavo eksitonų bangų funkciją ir davė Tikimybę, kad elektronas gali būti aplink skylę.

„Šis darbas yra svarbi pažanga šioje srityje“, – sakė gydytojas Julienas Madeo, pirmasis tyrimo autorius ir OIST femtosekundinės spektroskopijos grupės mokslininkas. "Galimybė vizualiai matyti vidines dalelių orbitas, nes jos sudaro didesnes sudėtines daleles, o tai leidžia suprasti, išmatuoti ir galiausiai valdyti kompozicines daleles precedento neturinčiu būdu. Tai leidžia pagal šias sąvokas sukurti naujas. materijos būklė ir technologija“.