Получено изображение орбиты электрона внутри экситона
Исследователи из Окинавского института науки и технологий (Япония) впервые в мире получили изображение электрона в экситоне.
Работа опубликована в журнале Science Advances, коротко о ней рассказывает Science Daily.
Экситоны образуются, когда полупроводники поглощают фотоны, что заставляет отрицательно заряженные электроны переходить с более низкого энергетического уровня на более высокий. При этом на нижнем уровне остаются положительно заряженные пустые пространства — дырки. Противоположно заряженный электрон и дырка притягиваются и начинают вращаться друг вокруг друга, что и создает экситон.
Экситоны играют решающую роль в полупроводниках, но до недавнего времени можно было получить доступ только к оптическим сигнатурам экситонов — например, к свету, испускаемому экситоном при гашении. Другие аспекты их природы, такие как их импульс, и то, как электрон и дырка вращаются по орбите, можно было описать только теоретически.
Экситоны хрупки и легко распадаются на свободные электроны и дырки. Кроме того, они недолговечны по своей природе — в некоторых материалах экситоны гаснут примерно через несколько пикосекунд.
В новом исследовании ученые сначала генерировали экситоны, посылая лазерный импульс света на двумерный полупроводник — недавно открытый класс материалов, которые имеют толщину всего несколько атомов и содержат более прочные экситоны.
После того как экситоны были сформированы, команда использовала лазерный луч с фотонами сверхвысокой энергии, чтобы разбить экситоны и выбросить электроны прямо из материала в вакуумное пространство в электронном микроскопе.
Электронный микроскоп измерял угол и энергию электронов, вылетающих из материала. На основе этой информации ученые смогли определить начальный импульс электрона, когда он был привязан к дырке внутри экситона.
«Этот метод имеет некоторое сходство с экспериментами на коллайдерах физики высоких энергий, где частицы сталкиваются вместе, разбиваясь на более мелкие. Здесь мы делаем нечто похожее: используем фотоны, чтобы разбивать экситоны и измерять траектории электронов, — пояснили исследователи. — Это было непросто. Измерения нужно было проводить с особой осторожностью — при низкой температуре и низкой интенсивности, чтобы избежать нагрева экситонов. Для получения одного изображения потребовалось несколько дней».
«Возможность визуализировать внутренние орбиты частиц позволит нам понять, измерить и в конечном итоге контролировать составные частицы. Это, в свою очередь, может позволить нам создавать новые квантовые состояния материи и технологии», — заключили физики.
Фото: OIST