Een eeuw na ontdekking hebben mensen voor het eerst het elektronenorbitale beeld van excitonen vastgelegd

Onderzoekers van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) hebben de momentumverdeling van foto-elektronen die worden uitgezonden door excitonen in een enkele laag wolfraamdiselenide gemeten en beelden vastgelegd die de interne banen of ruimtelijke verdeling van deeltjes in excitonen laten zien - dit is dit Het is een doel dat wetenschappers niet hebben kunnen bereiken sinds het exciton bijna een eeuw geleden werd ontdekt.

Excitonen zijn de aangeslagen toestand van materie die wordt aangetroffen in halfgeleiders - dit type materiaal is de sleutel tot veel moderne technologische apparaten, zoals zonnecellen, LED's, lasers en smartphones.

"Excitonen zijn zeer unieke en interessante deeltjes; ze zijn elektrisch neutraal, wat betekent dat ze zich in materialen heel anders gedragen dan andere deeltjes zoals elektronen. Hun aanwezigheid kan de manier waarop materialen op licht reageren echt veranderen," zei Dr. Michael Man, Dr. de eerste auteur en wetenschapper in de Femtosecond Spectroscopy Group van OIST. "Dit werk brengt ons dichter bij een volledig begrip van de aard van excitonen."

Excitonen worden gevormd wanneer een halfgeleider fotonen absorbeert, waardoor negatief geladen elektronen van een laag energieniveau naar een hoog energieniveau springen. Dit laat positief geladen vacatures achter op lagere energieniveaus, gaten genoemd. De tegengesteld geladen elektronen en gaten trekken elkaar aan en ze beginnen om elkaar heen te draaien, wat excitonen creëert.

Excitonen zijn essentieel in halfgeleiders, maar tot nu toe kunnen wetenschappers ze slechts in beperkte mate detecteren en meten. Een probleem ligt in hun kwetsbaarheid: het kost relatief weinig energie om excitonen af ​​te breken in vrije elektronen en gaten. Bovendien zijn ze vluchtig van aard - in sommige materialen zullen excitonen worden gedoofd binnen een paar duizendsten van de tijd nadat ze zijn gevormd, op welk moment de geëxciteerde elektronen terug zullen "vallen" in het gat.

"Wetenschappers ontdekten ongeveer 90 jaar geleden voor het eerst excitonen", zegt professor Keshav Dani, senior auteur en hoofd van de femtoseconde spectroscopiegroep van OIST. "Maar tot voor kort kregen mensen meestal alleen de optische kenmerken van excitonen - bijvoorbeeld het licht dat wordt uitgezonden wanneer excitonen verdwijnen. Andere aspecten van hun eigenschappen, zoals hun momentum, en hoe elektronen en gaten met elkaar samenwerken, kunnen alleen worden afgeleid van Theoretisch beschrijven."

In december 2020 publiceerden wetenschappers van de OIST Femtosecond Spectroscopy Group echter een paper in het tijdschrift Science waarin ze een revolutionaire techniek beschrijven voor het meten van het momentum van elektronen in excitonen. Nu, in het nummer van "Science Advances" van 21 april, gebruikte het team deze technologie om voor het eerst beelden vast te leggen die de verdeling van elektronen rond gaten in excitonen laten zien.

De onderzoekers genereerden eerst excitonen door laserpulsen naar een tweedimensionale halfgeleider te sturen - een recent ontdekt type materiaal dat slechts een paar atomen dik is en krachtigere excitonen bevat. Nadat de excitonen zijn gevormd, gebruikte het onderzoeksteam een ​​laserstraal met ultrahoge energiefotonen om de excitonen te ontleden en de elektronen rechtstreeks uit het materiaal in de vacuümruimte in de elektronenmicroscoop te schoppen. De elektronenmicroscoop meet de hoek en energie van elektronen terwijl ze uit het materiaal vliegen. Op basis van deze informatie kunnen wetenschappers het initiële momentum bepalen wanneer de elektronen worden gecombineerd met de gaten in de excitonen.

"Deze technologie heeft enkele overeenkomsten met het botser-experiment in de hoge-energiefysica. In de botser worden de deeltjes door sterke energie tegen elkaar geslagen, waardoor ze uiteenvallen. Door de kleinere interne deeltjes te meten die in het botsingstraject zijn geproduceerd, kunnen wetenschappers beginnen met het opsplitsen van samen de interne structuur van het originele complete deeltje", zei professor Dani. "Hier doen we iets soortgelijks: we gebruiken extreem-ultraviolette lichtfotonen om excitonen op te breken en meten de banen van elektronen om te beschrijven wat erin zit."

"Dit is geen eenvoudige prestatie," vervolgde professor Dani. "De meting moet zeer zorgvuldig worden gedaan - bij lage temperatuur en lage intensiteit om te voorkomen dat de excitonen worden verwarmd. Het duurde een paar dagen om een ​​beeld te verkrijgen. Uiteindelijk heeft het team de golffunctie van de excitonen met succes gemeten en het gaf de kans dat het elektron zich rond het gat bevindt.

"Dit werk is een belangrijke vooruitgang op dit gebied", zegt Dr. Julien Madeo, de eerste auteur van de studie en een wetenschapper in de Femtosecond Spectroscopy Group van OIST. "Het vermogen om de interne banen van deeltjes visueel te zien, omdat ze grotere composietdeeltjes vormen, waardoor we composietdeeltjes op een ongekende manier kunnen begrijpen, meten en uiteindelijk controleren. Hierdoor kunnen we nieuwe maken op basis van deze concepten. Het kwantum toestand van materie en technologie."