Okinawa teaduse ja tehnoloogia instituudi (OIST) teadlased mõõtsid ühes volframdiseleniidi kihis eksitonite kiirgavate fotoelektronide impulsi jaotust ja jäädvustasid pilte, mis näitavad eksitonites olevate osakeste sisemist orbiiti või ruumilist jaotust – see on see. eesmärk, mida teadlased pole suutnud saavutada pärast eksitoni avastamist peaaegu sajand tagasi.
Eksitoonid on pooljuhtides leiduv aine ergastatud olek – seda tüüpi materjal on võti paljudele kaasaegsetele tehnoloogilistele seadmetele, nagu päikesepatareid, LED-id, laserid ja nutitelefonid.
"Eksitonid on väga ainulaadsed ja huvitavad osakesed; nad on elektriliselt neutraalsed, mis tähendab, et nad käituvad materjalides väga erinevalt teistest osakestest, näiteks elektronidest. Nende olemasolu võib tõesti muuta seda, kuidas materjalid reageerivad valgusele," ütles dr Michael Man. esimene autor ja teadlane OIST-i femtosekundilise spektroskoopia rühmas. "See töö toob meid lähemale eksitonite olemuse täielikule mõistmisele."
Eksitonid tekivad siis, kui pooljuht neelab footoneid, mis põhjustab negatiivselt laetud elektronide hüppamise madalalt energiatasemelt kõrgele. See jätab positiivse laenguga vabu madalama energiatasemega töökohti, mida nimetatakse aukudeks. Vastupidiselt laetud elektronid ja augud tõmbavad üksteist ligi ning nad hakkavad teineteise ümber tiirlema, mis tekitab eksitoneid.
Eksitoonid on pooljuhtides üliolulised, kuid seni on teadlased suutnud neid tuvastada ja mõõta vaid piiratud viisil. Üks probleem seisneb nende hapruses – eksitonite vabadeks elektronideks ja aukudeks lagundamiseks kulub suhteliselt vähe energiat. Lisaks on need looduses põgusad – mõnes materjalis kustuvad eksitonid mõne tuhandiku jooksul pärast nende moodustumist, mil ergastatud elektronid "kukkuvad" auku tagasi.
"Teadlased avastasid eksitonid esmakordselt umbes 90 aastat tagasi," ütles professor Keshav Dani, vanemautor ja OISTi femtosekundi spektroskoopia rühma juht. "Kuid kuni viimase ajani said inimesed tavaliselt ainult eksitonite optilisi omadusi - näiteks eksitonite kadumisel kiirgavat valgust. Nende omaduste muid aspekte, nagu impulss ning elektronide ja aukude koostoimimine, saab ainult tuletatud artiklist Kirjelda teoreetiliselt.
Kuid 2020. aasta detsembris avaldasid OIST Femtosekundi spektroskoopia rühma teadlased ajakirjas Science artikli, milles kirjeldasid revolutsioonilist tehnikat elektronide impulsi mõõtmiseks eksitonites. Nüüd, ajakirja "Science Advances" 21. aprilli numbris, kasutas meeskond seda tehnoloogiat, et jäädvustada esmakordselt pilte, mis näitavad elektronide jaotumist eksitonites olevate aukude ümber.
Teadlased genereerisid esmalt eksitonid, saates laserimpulsse kahemõõtmelisele pooljuhile – hiljuti avastatud materjalitüübile, mis on vaid mõne aatomi paksune ja sisaldab võimsamaid eksitoneid. Pärast eksitonite moodustumist kasutas uurimisrühm ülikõrge energiaga footonitega laserkiirt, et eksitonid lagundada ja elektronid otse materjalist välja lükata elektronmikroskoobi vaakumruumi. Elektronmikroskoop mõõdab elektronide nurka ja energiat, kui nad materjalist välja lendavad. Selle teabe põhjal saavad teadlased määrata esialgse impulsi, kui elektronid ühinevad eksitonites olevate aukudega.
"Sellel tehnoloogial on mõningaid sarnasusi kõrgenergiafüüsika põrkekatsega. Põrkur purustab osakesed tugeva energia toimel kokku, purustades need. Mõõtes kokkupõrke trajektoori käigus tekkivaid väiksemaid siseosakesi, saavad teadlased hakata tükkideks lõikama. koos algse tervikliku osakese sisestruktuuri," ütles professor Dani. "Siin teeme midagi sarnast - me kasutame eksitonite purustamiseks äärmuslikke ultraviolettvalguse footoneid ja mõõdame elektronide trajektoore, et kirjeldada, mis sees on."
"See pole lihtne saavutus," jätkas professor Dani. "Mõõtmist tuleb teha väga hoolikalt – madalal temperatuuril ja madala intensiivsusega, et vältida eksitonite kuumenemist. Kujutise saamiseks kulus paar päeva. Lõpuks mõõtis meeskond edukalt eksitonite lainefunktsiooni ja see andis tõenäosus, et elektron võib paikneda augu ümber.
"See töö on selles valdkonnas oluline edasiminek," ütles dr Julien Madeo, uuringu esimene autor ja OIST-i femtosekundilise spektroskoopia rühma teadlane. "Võimalus näha visuaalselt osakeste siseorbiite, sest need moodustavad suuremaid liitosakesi, mis võimaldab meil komposiitosakesi enneolematul viisil mõista, mõõta ja lõpuks ka juhtida. See võimaldab neil kontseptsioonidel põhinevaid uusi luua. Kvant aine ja tehnoloogia seisund."
Autoriõigus @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. – Hiina kiudoptilised moodulid, fiiberoptiliste laserite tootjad, laserikomponentide tarnijad. Kõik õigused kaitstud.
