Keşfedildikten bir asır sonra, insanlar ilk kez eksitonların elektron yörüngesel görüntüsünü yakaladılar.

Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (OIST) araştırmacılar, tek bir tungsten diselenid tabakasında eksitonlar tarafından yayılan fotoelektronların momentum dağılımını ölçtüler ve eksitonlardaki parçacıkların iç yörüngelerini veya uzaysal dağılımını gösteren görüntüler yakaladılar. Bilim adamlarının, eksitonun yaklaşık bir asır önce keşfedilmesinden bu yana ulaşamadıkları bir hedef.

Eksitonlar, yarı iletkenlerde bulunan maddenin heyecanlı halidir - bu tür malzeme, güneş pilleri, LED'ler, lazerler ve akıllı telefonlar gibi birçok modern teknolojik cihazın anahtarıdır.

Common Said Dr. Michael Man, "Eksitonlar çok benzersiz ve ilginç parçacıklardır; elektriksel olarak nötrdürler, bu da malzemelerde elektronlar gibi diğer parçacıklardan çok farklı davrandıkları anlamına gelir. Onların varlığı, malzemelerin ışığa tepki verme şeklini gerçekten değiştirebilir," dedi. OIST'in Femtosaniye Spektroskopi Grubundaki ilk yazar ve bilim adamı. "Bu çalışma bizi eksitonların doğasını tam olarak anlamaya yaklaştırıyor."

Bir yarı iletken fotonları emdiğinde eksitonlar oluşur, bu da negatif yüklü elektronların düşük enerji seviyesinden yüksek enerji seviyesine sıçramasına neden olur. Bu, delikler adı verilen daha düşük enerji seviyelerinde pozitif yüklü boşluklar bırakır. Zıt yüklü elektronlar ve delikler birbirini çeker ve birbirlerinin yörüngesinde dönmeye başlarlar, bu da eksitonları oluşturur.

Eksitonlar yarı iletkenlerde hayati öneme sahiptir, ancak şimdiye kadar bilim adamları onları yalnızca sınırlı bir şekilde tespit edip ölçebilir. Bir problem kırılganlıklarında yatmaktadır - eksitonları serbest elektronlara ve deliklere parçalamak nispeten az enerji gerektirir. Ek olarak, doğada uçarlar - bazı malzemelerde, eksitonlar oluştuktan sonra zamanın birkaç binde biri içinde sönerler ve bu sırada uyarılmış elektronlar deliğe geri "düşer".

OIST'in femtosaniye spektroskopi grubunun kıdemli yazarı ve başkanı Profesör Keshav Dani, "Bilim adamları ilk olarak eksitonları yaklaşık 90 yıl önce keşfettiler" dedi. "Fakat yakın zamana kadar, insanlar genellikle eksitonların yalnızca optik özelliklerine sahipti - örneğin, eksitonlar kaybolduğunda yayılan ışık. Momentumları ve elektronların ve deliklerin birbirleriyle nasıl çalıştığı gibi özelliklerinin diğer yönleri, ancak Teorik olarak tanımla'dan türetilmiştir."

Bununla birlikte, Aralık 2020'de, OIST Femtosaniye Spektroskopi Grubu'ndan bilim adamları, Science dergisinde eksitonlardaki elektronların momentumunu ölçmek için devrim niteliğinde bir tekniği açıklayan bir makale yayınladılar. Şimdi, "Science Advances" dergisinin 21 Nisan sayısında, ekip bu teknolojiyi ilk kez eksitonlardaki delikler etrafındaki elektron dağılımını gösteren görüntüler yakalamak için kullandı.

Araştırmacılar ilk olarak, iki boyutlu bir yarı iletkene lazer darbeleri göndererek eksitonlar ürettiler - son zamanlarda keşfedilen, sadece birkaç atom kalınlığında ve daha güçlü eksitonlar içeren bir malzeme türü. Eksitonlar oluşturulduktan sonra, araştırma ekibi, eksitonları ayrıştırmak ve elektronları elektron mikroskobundaki vakum boşluğuna doğrudan materyalden atmak için ultra yüksek enerjili fotonlara sahip bir lazer ışını kullandı. Elektron mikroskobu, elektronların malzemeden dışarı uçarken açısını ve enerjisini ölçer. Bu bilgiden bilim adamları, elektronlar eksitonlardaki deliklerle birleştiğinde ilk momentumu belirleyebilirler.

"Bu teknolojinin, yüksek enerjili fizikteki çarpıştırıcı deneyi ile bazı benzerlikleri var. Çarpıştırıcıda, parçacıklar güçlü bir enerjiyle birbirine çarparak onları parçalıyor. Bilim adamları, çarpışma Yörüngesinde üretilen daha küçük iç parçacıkları ölçerek, parçaları birleştirmeye başlayabilirler. Profesör Dani, orijinal tam parçacığın iç yapısını bir araya getirdiğini söyledi. "Burada benzer bir şey yapıyoruz - eksitonları parçalamak için aşırı ultraviyole ışık fotonları kullanıyoruz ve içindekileri tanımlamak için elektronların yörüngelerini ölçüyoruz."

Profesör Dani, "Bu basit bir başarı değil," diye devam etti. "Ölçüm çok dikkatli yapılmalıdır - eksitonların ısınmasını önlemek için düşük sıcaklıkta ve düşük yoğunlukta. Bir görüntü elde etmek birkaç gün sürdü. Sonunda, ekip eksitonların dalga fonksiyonunu başarıyla ölçtü ve verdi. elektronun deliğin çevresinde yer alma olasılığı.

Çalışmanın ilk yazarı ve OIST'in Femtosaniye Spektroskopi Grubunda bir bilim adamı olan Dr. Julien Madeo, "Bu çalışma bu alanda önemli bir ilerlemedir" dedi. "Parçacıkların iç yörüngelerini görsel olarak görme yeteneği, çünkü daha büyük kompozit parçacıklar oluşturuyorlar, bu da kompozit parçacıkları benzeri görülmemiş bir şekilde anlamamızı, ölçmemizi ve nihayetinde kontrol etmemizi sağlıyor. Bu, bu kavramlara dayalı yenilerini yaratmamızı sağlıyor. Kuantum. maddenin ve teknolojinin durumu."