Výskumníci z Okinawského inštitútu vedy a techniky (OIST) zmerali distribúciu hybnosti fotoelektrónov emitovaných excitónmi v jednej vrstve diselenidu volfrámu a zachytili obrázky ukazujúce vnútorné dráhy alebo priestorové rozloženie častíc v excitónoch – toto je toto. cieľ, ktorý vedci nedokázali dosiahnuť od objavenia excitónu pred takmer storočím.
Excitóny sú excitovaný stav hmoty nachádzajúci sa v polovodičoch – tento typ materiálu je kľúčom k mnohým moderným technologickým zariadeniam, ako sú solárne články, LED diódy, lasery a smartfóny.
"Excitóny sú veľmi jedinečné a zaujímavé častice; sú elektricky neutrálne, čo znamená, že sa správajú v materiáloch veľmi odlišne od iných častíc, ako sú elektróny. Ich prítomnosť môže skutočne zmeniť spôsob, akým materiály reagujú na svetlo," povedal Dr. Michael Man. prvý autor a vedec v skupine Femtosecond Spectroscopy Group OIST. "Táto práca nás približuje k úplnému pochopeniu podstaty excitónov."
Excitóny sa tvoria, keď polovodič absorbuje fotóny, čo spôsobí, že negatívne nabité elektróny preskočia z nízkej energetickej hladiny na vysokú energetickú hladinu. To ponecháva kladne nabité prázdne miesta na nižších energetických úrovniach, nazývaných diery. Opačne nabité elektróny a diery sa navzájom priťahujú a začnú okolo seba obiehať, čím vznikajú excitóny.
Excitóny sú v polovodičoch životne dôležité, no vedci ich zatiaľ dokážu detekovať a merať len obmedzene. Jeden problém spočíva v ich krehkosti – rozklad excitónov na voľné elektróny a diery si vyžaduje relatívne málo energie. Okrem toho sú v prírode pominuteľné - v niektorých materiáloch excitóny zhasnú v priebehu niekoľkých tisícin času po ich vytvorení, vtedy excitované elektróny "spadnú" späť do diery.
"Vedci prvýkrát objavili excitóny asi pred 90 rokmi," povedal profesor Keshav Dani, hlavný autor a vedúci skupiny femtosekundovej spektroskopie OIST. "Ale až donedávna ľudia zvyčajne získali len optické charakteristiky excitónov - napríklad svetlo vyžarované, keď excitóny zmiznú. Ostatné aspekty ich vlastností, ako je ich hybnosť a to, ako elektróny a diery navzájom spolupracujú, môžu byť len odvodené od Opíšte teoreticky."
V decembri 2020 však vedci z OIST Femtosecond Spectroscopy Group publikovali v časopise Science článok, ktorý popisuje revolučnú techniku merania hybnosti elektrónov v excitónoch. Teraz, vo vydaní "Science Advances" z 21. apríla, tím použil túto technológiu na prvé zachytenie obrázkov zobrazujúcich distribúciu elektrónov okolo dier v excitónoch.
Výskumníci najskôr generovali excitóny odoslaním laserových impulzov do dvojrozmerného polovodiča - typu materiálu objaveného nedávno, ktorý má hrúbku len niekoľkých atómov a obsahuje silnejšie excitóny. Po vytvorení excitónov výskumný tím použil laserový lúč s ultravysokými energetickými fotónmi na rozklad excitónov a vykopnutie elektrónov priamo z materiálu do vákuového priestoru v elektrónovom mikroskope. Elektrónový mikroskop meria uhol a energiu elektrónov, keď vyletujú z materiálu. Z týchto informácií môžu vedci určiť počiatočnú hybnosť, keď sa elektróny spoja s dierami v excitónoch.
"Táto technológia má určité podobnosti s experimentom so zrážačom vo fyzike vysokých energií. V zrážači sa častice rozbijú spolu silnou energiou, čím sa rozbijú. Meraním menších vnútorných častíc produkovaných pri zrážkovej trajektórii môžu vedci začať kúskovať." spolu vnútornú štruktúru pôvodnej kompletnej častice,“ povedal profesor Dani. "Tu robíme niečo podobné - používame extrémne fotóny ultrafialového svetla na rozbitie excitónov a meriame trajektórie elektrónov, aby sme opísali, čo je vo vnútri."
"Toto nie je jednoduchý čin," pokračoval profesor Dani. "Meranie sa musí robiť veľmi opatrne - pri nízkej teplote a nízkej intenzite, aby sa zabránilo zahrievaniu excitónov. Získanie snímky trvalo niekoľko dní. Nakoniec tím úspešne zmeral vlnovú funkciu excitónov a získal pravdepodobnosť, že elektrón sa môže nachádzať okolo otvoru.
"Táto práca je dôležitým pokrokom v tejto oblasti," povedal Dr. Julien Madeo, prvý autor štúdie a vedec zo skupiny Femtosecond Spectroscopy Group of OIST. "Schopnosť vizuálne vidieť vnútorné dráhy častíc, pretože tvoria väčšie kompozitné častice, čo nám umožňuje pochopiť, merať a v konečnom dôsledku riadiť kompozitné častice bezprecedentným spôsobom. To nám umožňuje vytvárať nové na základe týchto konceptov. Kvantové stav hmoty a technológie“.
Copyright @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - Čína moduly optických vlákien, výrobcovia laserov spojených s vláknom, dodávatelia laserových komponentov Všetky práva vyhradené.
