Berita Industri

Satu abad selepas ditemui, manusia telah menangkap imej orbit elektron excitons buat kali pertama

2021-09-16
Teknologi revolusioner membolehkan saintis memerhati bahagian dalam zarah serta-merta yang dipanggil excitons (Exciton) pada jarak dekat dengan cara yang tiada tandingannya. Excitons menerangkan keadaan terikat sepasang elektron dan lubang yang tertarik antara satu sama lain melalui interaksi Coulomb elektrostatik. Ia boleh dianggap sebagai zarah kuasi neutral elektrik yang wujud dalam penebat, semikonduktor dan beberapa cecair. Ia adalah fizik jirim pekat. Unit asas yang memindahkan tenaga tanpa memindahkan cas.

Penyelidik di Institut Sains dan Teknologi Okinawa (OIST) mengukur taburan momentum fotoelektron yang dipancarkan oleh excitons dalam satu lapisan tungsten diselenide, dan menangkap imej yang menunjukkan orbit dalaman atau taburan ruang zarah dalam excitons—ini adalah ini. matlamat yang tidak dapat dicapai oleh saintis sejak exciton ditemui hampir satu abad yang lalu.

Exciton ialah keadaan jirim teruja yang terdapat dalam semikonduktor-bahan jenis ini adalah kunci kepada banyak peranti teknologi moden, seperti sel solar, LED, laser dan telefon pintar.

"Excitons adalah zarah yang sangat unik dan menarik; mereka neutral secara elektrik, yang bermaksud bahawa mereka berkelakuan dalam bahan yang sangat berbeza daripada zarah lain seperti elektron. Kehadiran mereka benar-benar boleh mengubah cara bahan bertindak balas kepada cahaya, "kata Common Dr Michael Man, pengarang dan saintis pertama dalam Kumpulan Spektroskopi Femtosecond OIST. "Kerja ini membawa kita lebih dekat untuk memahami sepenuhnya sifat excitons."

Excitons terbentuk apabila semikonduktor menyerap foton, yang menyebabkan elektron bercas negatif melompat dari tahap tenaga rendah ke tahap tenaga tinggi. Ini meninggalkan kekosongan bercas positif pada tahap tenaga yang lebih rendah, dipanggil lubang. Elektron dan lubang yang bercas bertentangan menarik antara satu sama lain, dan mereka mula mengorbit antara satu sama lain, yang mewujudkan excitons.

Excitons adalah penting dalam semikonduktor, tetapi setakat ini, saintis hanya boleh mengesan dan mengukurnya dengan cara yang terhad. Satu masalah terletak pada kerapuhan mereka-ia memerlukan tenaga yang agak sedikit untuk memecahkan exciton menjadi elektron bebas dan lubang. Di samping itu, ia bersifat sekejap-dalam beberapa bahan, exciton akan dipadamkan dalam beberapa perseribu masa selepas ia terbentuk, pada masa itu elektron yang teruja akan "jatuh" semula ke dalam lubang.

"Para saintis pertama kali menemui excitons kira-kira 90 tahun yang lalu, " kata Profesor Keshav Dani, pengarang kanan dan ketua kumpulan spektroskopi femtosecond OIST. "Tetapi sehingga baru-baru ini, orang biasanya hanya mendapat ciri optik excitons--contohnya, cahaya yang dipancarkan apabila excitons hilang. Aspek lain sifat mereka, seperti momentum mereka, dan bagaimana elektron dan lubang berfungsi antara satu sama lain, hanya boleh berasal daripada Huraikan secara teori."

Walau bagaimanapun, pada Disember 2020, saintis dari Kumpulan Spektroskopi Femtosecond OIST menerbitkan makalah dalam jurnal Sains yang menerangkan teknik revolusioner untuk mengukur momentum elektron dalam eksitasi. Kini, dalam "Science Advances" keluaran 21 April, pasukan menggunakan teknologi ini untuk menangkap imej buat kali pertama yang menunjukkan pengedaran elektron di sekeliling lubang dalam excitons.

Para penyelidik mula-mula menghasilkan excitons dengan menghantar denyutan laser kepada semikonduktor dua dimensi-sejenis bahan yang ditemui baru-baru ini yang hanya tebal beberapa atom dan mengandungi excitons yang lebih kuat. Selepas excitons terbentuk, pasukan penyelidik menggunakan pancaran laser dengan foton tenaga ultra tinggi untuk menguraikan excitons dan menendang elektron terus keluar dari bahan ke dalam ruang vakum dalam mikroskop elektron. Mikroskop elektron mengukur sudut dan tenaga elektron semasa ia terbang keluar dari bahan. Daripada maklumat ini, saintis boleh menentukan momentum awal apabila elektron bergabung dengan lubang dalam exciton.

"Teknologi ini mempunyai beberapa persamaan dengan eksperimen pelanggar dalam fizik bertenaga tinggi. Dalam pelanggar, zarah-zarah dihancurkan bersama oleh tenaga kuat, memecahkannya. Dengan mengukur zarah dalaman yang lebih kecil yang dihasilkan dalam Trajektori perlanggaran, saintis boleh mula memecah bersama-sama struktur dalaman zarah lengkap asal," kata Profesor Dani. "Di sini, kami melakukan sesuatu yang serupa - kami menggunakan foton cahaya ultraungu yang melampau untuk memecahkan excitons, dan mengukur trajektori elektron untuk menerangkan apa yang ada di dalamnya."

"Ini bukan satu pencapaian yang mudah," Profesor Dani menyambung. "Pengukuran mesti dilakukan dengan sangat berhati-hati-pada suhu rendah dan keamatan rendah untuk mengelakkan pemanasan excitons. Ia mengambil masa beberapa hari untuk memperoleh imej. Akhirnya, pasukan berjaya mengukur fungsi gelombang excitons, dan ia memberikan The kebarangkalian bahawa elektron mungkin terletak di sekeliling lubang.

"Kerja ini merupakan kemajuan penting dalam bidang ini," kata Dr Julien Madeo, pengarang pertama kajian dan saintis dalam Kumpulan Spektroskopi Femtosecond OIST. "Keupayaan untuk melihat secara visual orbit dalaman zarah, kerana ia membentuk zarah komposit yang lebih besar, yang membolehkan kita memahami, mengukur dan akhirnya mengawal zarah komposit dengan cara yang tidak pernah berlaku sebelum ini. Ini membolehkan kita mencipta yang baharu berdasarkan konsep ini. Kuantum keadaan jirim dan teknologi."

Seterusnya:

Radar Laser