In een wereldprimeur, onderzoekers van het Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben een afbeelding gemaakt van de interne banen, of ruimtelijke verdeling, van deeltjes in een exciton - een doel dat wetenschappers bijna een eeuw lang was ontgaan. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Excitonen zijn aangeslagen toestanden van materie die in halfgeleiders worden aangetroffen - een klasse van materialen die essentieel zijn voor veel moderne technologische apparaten, zoals zonnecellen, LED's, lasers en smartphones.

"Excitonen zijn echt 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 een materiaal op licht reageert echt veranderen, " zei Dr. Michael Man, co-eerste auteur en stafwetenschapper in de OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. "Dit werk brengt ons dichter bij een volledig begrip van de aard van excitonen."

Excitonen worden gevormd wanneer halfgeleiders fotonen van licht absorberen, waardoor negatief geladen elektronen van een lager energieniveau naar een hoger energieniveau springen. Dit laat positief geladen lege ruimtes achter, gaten genoemd, in het lagere energieniveau. De tegengesteld geladen elektronen en gaten trekken elkaar aan en ze beginnen om elkaar heen te draaien, die de excitonen creëert.

Excitonen zijn van cruciaal belang binnen halfgeleiders, maar tot nu toe, wetenschappers hebben ze slechts op beperkte manieren kunnen detecteren en meten. Eén probleem ligt bij hun kwetsbaarheid:het kost relatief weinig energie om het exciton op te splitsen in vrije elektronen en gaten. Verder, ze zijn vluchtig van aard - in sommige materialen, excitonen worden gedoofd in ongeveer een paar duizendsten van een miljardste van een seconde nadat ze zijn gevormd, wanneer de aangeslagen elektronen "terugvallen" in de gaten.

"Wetenschappers ontdekten ongeveer 90 jaar geleden voor het eerst excitonen, " zei professor Keshav Dani, senior auteur en hoofd van de Femtosecond Spectroscopy Unit bij OIST. "Maar tot voor kort men had over het algemeen alleen toegang tot de optische handtekeningen van excitonen, bijvoorbeeld het licht dat door een exciton wordt uitgezonden wanneer het wordt gedoofd. Andere aspecten van hun aard, zoals hun momentum, en hoe het elektron en het gat om elkaar heen draaien, kan alleen theoretisch worden beschreven."

Echter, in december 2020, wetenschappers van de OIST Femtosecond Spectroscopy Unit publiceerden een paper in Wetenschap beschrijft een revolutionaire techniek voor het meten van het momentum van de elektronen in de excitonen.

Nutsvoorzieningen, melden in wetenschappelijke vooruitgang , het team gebruikte de techniek om de allereerste afbeelding te maken die de verdeling van een elektron rond het gat in een exciton laat zien.

De onderzoekers genereerden eerst excitonen door een laserpuls van licht naar een tweedimensionale halfgeleider te sturen - een recent ontdekte klasse van materialen die slechts enkele atomen dik zijn en robuustere excitonen herbergen.

Nadat de excitonen waren gevormd, het team gebruikte een laserstraal met ultrahoge energiefotonen om de excitonen uit elkaar te halen en de elektronen zo uit het materiaal te schoppen, in de vacuümruimte binnen een elektronenmicroscoop.

De elektronenmicroscoop mat de hoek en energie van de elektronen terwijl ze uit het materiaal vlogen. Uit deze informatie, de wetenschappers waren in staat om het initiële momentum van het elektron te bepalen toen het was gebonden aan een gat in het exciton.

"De techniek heeft enkele overeenkomsten met de collider-experimenten van de hoge-energiefysica, waar deeltjes met intense hoeveelheden energie tegen elkaar worden geslagen, ze openbreken. Door de banen te meten van de kleinere interne deeltjes die bij de botsing zijn geproduceerd, wetenschappers kunnen beginnen met het samenstellen van de interne structuur van de originele intacte deeltjes, "zei professor Dani. "Hier, we doen iets soortgelijks:we gebruiken extreem-ultraviolette lichtfotonen om excitonen uit elkaar te halen en meten de banen van de elektronen om een ​​beeld te krijgen van wat erin zit."

"Dit was geen sinecure, " vervolgde professor Dani. "De metingen moesten met uiterste zorg worden gedaan - bij lage temperatuur en lage intensiteit om te voorkomen dat de excitonen opwarmen. Het duurde een paar dagen om een ​​enkel beeld te verwerven."

uiteindelijk, het team slaagde erin de golffunctie van het exciton te meten, wat de waarschijnlijkheid geeft van waar het elektron zich waarschijnlijk rond het gat bevindt.

"Dit werk is een belangrijke vooruitgang in het veld, " zei Dr. Julien Madeo, co-eerste auteur en stafwetenschapper in de OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. "Als we de interne banen van deeltjes kunnen visualiseren terwijl ze grotere samengestelde deeltjes vormen, kunnen we begrijpen, meten en uiteindelijk controleren van de composietdeeltjes op ongekende manieren. Dit zou ons in staat kunnen stellen nieuwe kwantumtoestanden van materie en technologie te creëren op basis van deze concepten."