Ученые получили первое изображение орбиты электрона внутри экситона

Впервые в истории исследователи из Института науки и технологии Университета Окинавы (OIST, Япония) сделали изображение, которое показывает внутренние орбиты – или пространственное распределение – частиц в экситоне, передает пресс-служба OIST. О своем открытии ученые сообщили в журнале Science Advances. 

Экситоны – это возбужденные состояния вещества, находящиеся в полупроводниках, классе материалов, которые являются ключевыми для многих современных технологических устройств, таких как солнечные элементы, светодиоды, лазеры и смартфоны. Эти квазичастицы электрически нейтральны, что означает, что они ведут себя в материалах совсем иначе, чем другие частицы, такие как электроны. Их присутствие может изменить способ, которым материал реагирует на свет.

Экситоны образуются, когда полупроводники поглощают фотоны света, что заставляет отрицательно заряженные электроны перескакивать с более низкого энергетического уровня на более высокий. Это оставляет положительно заряженные пустые пространства – дыры – на нижнем энергетическом уровне. Противоположно заряженные электроны и дыры притягиваются и начинают вращаться друг вокруг друга – и в результате образуется экситон.

Экситоны играют большую роль в полупроводниках, но до сих пор обнаружить их было сложно. Можно было увидеть только косвенное проявление экситона – например, свет, испускаемый экситоном при гашении. Другие аспекты их природы, такие как импульс, и то, как электрон и дыра вращаются по орбите, сейчас могут быть описаны только теоретически. Одна проблема заключается в их хрупкости – требуется относительно небольшая энергия, чтобы разбить экситон на свободные электроны и дыры. Более того, они быстротечны по своей природе: в некоторых материалах экситоны гаснут примерно через несколько тысячных миллиардных секунды после их образования, когда возбужденные электроны «падают» обратно в дыры.

Однако в декабре 2020 года ученые опубликовали в Science статью, в которой описывается революционный метод измерения импульса электронов внутри экситонов. Теперь, команда использовала эту технику, чтобы сделать первое в истории изображение, которое показывает распределение электрона вокруг дыры внутри экситона.

Исследователи сначала генерировали экситоны, посылая лазерный импульс света на двумерный полупроводник – недавно открытый класс материалов, толщина которых составляет всего несколько атомов и которые 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 дыре внутри экситона.

«Это было непросто, – делятся авторы работы. – Измерения нужно было проводить с особой осторожностью – при низкой температуре и низкой интенсивности, чтобы избежать нагрева экситонов». 

Чтобы получить одно изображение, потребовалось несколько дней. В конце концов, команде удалось измерить волновую функцию экситона, которая показывает, где электрон, вероятно, будет расположен вокруг дыры.

[Фото: OIST]