Prima imagine capturată vreodată de pe orbita unui electron din interiorul unui exciton

din

În fizică se aplică concepte cuantice foarte mici, ciudate. Electronii acționează atât asupra particulelor, cât și asupra undelor și, prin urmare, este imposibil să se cunoască poziția și impulsul unui electron în același timp. În schimb, norul probabilității unui exciton indică unde se găsește cel mai probabil electronul în jurul găurii. Echipa de cercetare a generat o imagine de nor de probabilitate de exciton măsurând funcția de undă. Credit: OIST

O tehnică revoluționară oferă oamenilor de știință o vedere de aproape fără egal în interiorul particulelor tranzitorii numite excitoni.

Într-o primă lume, cercetătorii de la Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) au surprins o imagine care arată orbitele interne, sau distribuția spațială, a particulelor dintr-un exciton – un obiectiv care a scăpat oamenilor de știință de aproape un secol.

Excitonii sunt stări interesante ale materiei găsite în semiconductori – o clasă de materiale care sunt centrale pentru multe dispozitive tehnologice moderne, cum ar fi celule solare, LED-uri, lasere și smartphone-uri.

„Excitonii sunt particule cu adevărat unice și interesante; sunt neutri din punct de vedere electric, ceea ce înseamnă că se comportă foarte diferit în interiorul materialelor față de alte particule, cum ar fi electronii. „Prezența lor poate schimba într-adevăr modul în care un material răspunde la lumină”. Michael Man, co-autor și om de știință în cadrul Unității de spectroscopie OT Femtosecond. „Această lucrare ne aduce mai aproape de a înțelege pe deplin natura excitonilor.”

Diagramele exciton

Din punct de vedere tehnic, excitonii nu sunt particule, ci bucăți (aproape – însemnând „aproape” în latină). Acestea sunt formate prin atracție electrostatică între electroni excitați, încărcați negativ și găuri încărcate pozitiv. Găurile sunt spații lăsate în urmă de electroni excitați și sunt ele însele un fel de cvasi-fracțiune. Credit: OIST

Excitonii se formează atunci când semiconductorii absorb fotonii de lumină, ceea ce face ca electronii încărcați negativ să fie aruncați de la un nivel de energie inferior la un nivel de energie mai mare. Acest lucru lasă în urmă spații goale încărcate pozitiv, numite găuri, la cel mai scăzut nivel de energie. Electronii și găurile încărcate în sens invers atrag și încep să se orbiteze reciproc, ceea ce creează excitoni.

Excitonii sunt foarte importanți în semiconductori, dar până acum oamenii de știință au reușit să-i detecteze și să-i măsoare în moduri limitate. O problemă constă în fragilitatea lor – este nevoie de relativ puțină energie pentru a împărți excitația în electroni și găuri libere. Mai mult decât atât, acestea sunt de natură tranzitorie – în unele materiale, excitonii se sting în aproximativ câteva miimi de miliardimi de secundă după ce s-au format, când electronii excitați „cad” înapoi în găuri.

„Oamenii de știință au descoperit prima dată excitonii în urmă cu aproximativ 90 de ani”, a spus profesorul Keshav Dani, autor principal și șef al Unității de Spectroscopie Femtosecundă la OIST. „Dar până foarte târziu, aceasta ar putea fi realizată în general numai în semnăturile optice ale excitonilor – de exemplu, lumina emisă de un exciton atunci când se stinge. Alte aspecte ale naturii lor, cum ar fi impulsul lor și modul în care electronii și găurile se rotesc unul în jurul celuilalt, pot fi descrise doar teoretic. ”

Instrumentație utilizată pentru a excita imaginile

Instrumentul folosește un impuls inițial al pompei de lumină pentru a excita electronii și a genera excitați. Acesta este rapid urmat de un al doilea impuls de lumină care a folosit fotoni ultravioleti extremi pentru a lovi electroni în interiorul excitaților din material și în vidul unui microscop electronic. Microscopul electronic măsoară apoi energia și unghiul pe care electronii l-au lăsat din material pentru a determina momentul electronului din jurul găurii din interiorul excitonului. Credit: OIST

Cu toate acestea, în decembrie 2020, oamenii de știință de la unitatea spectroscopică Femtosecond OIST au publicat o lucrare în ştiinţă descrierea unei tehnici revoluționare pentru măsurarea momentului electronilor din excitoni.

Acum, raportarea pe 21 aprilie la Progrese în știință, echipa a folosit tehnica pentru a captura prima imagine care arată împrăștierea unui electron în jurul găurii dintr-un exciton.

Cercetătorii au generat mai întâi excitoni trimițând un impuls de lumină laser într-un semiconductor bidimensional – o clasă de materiale descoperite recent, cu doar câțiva atomi mai groși și care seamănă cu excitoni mai puternici.

Odată ce excitonii s-au format, echipa a folosit un fascicul laser cu fotoni ultra-mari pentru a separa excitonii și a călca electronii imediat de material, în spațiul de vid din interiorul unui microscop electronic.

Microscopul electronic a măsurat unghiul și energia electronilor în timp ce au zburat din material. Din aceste informații, oamenii de știință au putut determina momentul inițial al electronului atunci când acesta s-a conectat la o gaură din interiorul excitonului.

„Tehnica prezintă unele similitudini cu experimentele de coliziune fizică de mare energie, în care particulele sunt descompuse împreună cu cantități mari de energie, deschizându-le. Măsurând traiectoriile celor mai mici particule interne produse în coliziune, oamenii de știință pot începe să fragmenteze structura internă a particulelor intacte originale “, a spus profesorul Dani.” Aici, facem ceva similar – folosim fotoni extremi de lumină ultravioletă. pentru a disipa excitonii și a măsura traiectoriile electronilor pentru a picta ceea ce este în interior “.

„Nu a fost o mișcare proastă”, a continuat profesorul Dani. „Măsurătorile trebuiau făcute foarte atent – la temperaturi scăzute și intensități scăzute pentru a evita încălzirea excitonilor. A fost nevoie de câteva zile pentru a obține o singură imagine. ”

În cele din urmă, echipa a reușit să măsoare funcția undei excitonului, ceea ce oferă probabilitatea unde electronul este probabil să fie situat în jurul găurii.

„Această lucrare este o descoperire semnificativă pe teren”, a spus Dr. Julien Madeo, coautor și om de știință în cadrul Unității de spectroscopie OT Femtosecond. „Posibilitatea de a vizualiza orbitele interioare ale particulelor pe măsură ce formează particule compozite mai mari ne poate permite să înțelegem, să măsurăm și, în cele din urmă, să controlăm particulele compozite în moduri fără precedent. Acest lucru ne poate permite să creăm noi stări cuantice ale materiei și tehnologiei pe baza acestor concepte. “

Referință: „Măsurarea experimentală a funcției undei exciton interne” de Michael KL Man, Julien Madéo, Chakradhar Sahoo, Kaichen Xie, Marshall Campbell, Vivek Pareek, Arka Karmakar, E Laine Wong, Abdullah Al-Mahboob, Nicholas S. Chan, David R Bacon, Xing Zhu, Mohamed MM Abdelrasoul, Xiaoqin Li, Tony F. Heinz, Felipe H. da Jornada, Ting Cao și Keshav M. Dani, 21 aprilie 2021, Progrese în știință.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg0192

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.