Ученые только что экспериментально измерили волновую функцию экситона, и они взволнованы этим, потому что ждали это уже целое столетие.
Экситон - это возбужденное состояние вещества, которое создается, когда электрон набирает энергию и переходит на более высокий энергетический уровень. Отрицательно заряженный электрон оставляет после себя положительно заряженное пустое пространство («дыру»), и оба притягиваются друг к другу и начинают вращаться друг вокруг друга, вместе образуя экситон. Эти электрически нейтральные «квазичастицы» критически важны для полупроводников, которые играют ключевую роль в таких приложениях, как солнечные элементы, лазеры и светодиоды.
До сих пор экситоны было трудно обнаружить и измерить, поскольку они "хрупкие" и мимолетные, иногда устойчивы всего несколько тысячных долей миллиардной секунды.
Но теперь исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) в Японии впервые засняли внутренние орбиты частиц в экситоне.
«Ученые впервые обнаружили экситоны около 90 лет назад», - говорит Кешав Дани, старший автор исследования, опубликованного в журнале Science Advances.
«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 друг вокруг друга, могут быть описаны только теоретически».
Затем в прошлом году был открыт метод, позволяющий измерять импульс электронов внутри экситонов.
Команда OIST использовала этот метод в своем новом исследовании. После генерации экситонов с помощью лазерного импульса на двумерном сверхпроводящем материале исследователи использовали ультрафиолетовые фотоны высокой энергии, чтобы снова разбить частицы и заставить электроны улететь - в вакуумное пространство внутри электронного микроскопа.
Микроскоп измерил угол и энергию электронов, что позволило команде восстановить начальный импульс и, следовательно, положение электронов по отношению к положительно заряженной дыре внутри экситона.
«Этот метод имеет некоторое сходство с коллайдерными экспериментами физики высоких энергий, где частицы сталкиваются друг с другом с большим количеством энергии, разрывающей их», - говорит Дэни.
«Измеряя траектории более мелких внутренних частиц, образовавшихся в результате столкновения, ученые могут начать собирать воедино внутреннюю структуру исходных целых частиц. Здесь мы делаем нечто подобное - мы используем фотоны экстремального ультрафиолета, чтобы разбивать экситоны и измерять траектории электронов, чтобы представить себе, что внутри».
Эксперимент должен был проводиться при низкой температуре и низкой интенсивности, и потребовалось несколько дней, чтобы получить только одно изображение, фиксирующее волновую функцию экситона. Это дает вероятность нахождения электрона вокруг дыры.
По словам соавтора из OIST, Жюльена Мадео, это важное достижение.
«Возможность визуализировать внутренние орбиты частиц по мере того, как они образуют более крупные составные частицы, может позволить нам беспрецедентным образом понять, измерить и в конечном итоге контролировать составные частицы», - говорит он. «Это может позволить нам создавать новые квантовые состояния материи и технологии на основе этих концепций».
Источник: Cosmos Magazine
