Một thế kỷ sau khi được phát hiện, con người đã lần đầu tiên chụp được hình ảnh quỹ đạo electron của các exciton

Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) đã đo sự phân bố xung lượng của quang điện tử do exciton phát ra trong một lớp vonfram diselenide, và chụp được những hình ảnh cho thấy quỹ đạo bên trong hoặc sự phân bố không gian của các hạt trong excitonsâ € ”. Đây là điều này. một mục tiêu mà các nhà khoa học đã không thể đạt được kể từ khi exciton được phát hiện gần một thế kỷ trước.

Excitons là trạng thái kích thích của vật chất được tìm thấy trong chất bán dẫn - loại vật liệu này là chìa khóa của nhiều thiết bị công nghệ hiện đại, chẳng hạn như pin mặt trời, đèn LED, laser và điện thoại thông minh.

"Exciton là những hạt rất độc đáo và thú vị; chúng trung hòa về điện, có nghĩa là chúng hoạt động trong vật liệu rất khác so với các hạt khác như electron. Sự hiện diện của chúng thực sự có thể thay đổi cách vật liệu phản ứng với ánh sáng", Tiến sĩ Michael Man nói, tác giả và nhà khoa học đầu tiên trong Nhóm quang phổ Femtosecond của OIST. "Công việc này đưa chúng ta đến gần hơn với việc hiểu đầy đủ bản chất của exciton."

Exciton được hình thành khi một chất bán dẫn hấp thụ các photon, làm cho các electron mang điện tích âm nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao. Điều này để lại những chỗ trống tích điện dương ở mức năng lượng thấp hơn, được gọi là lỗ trống. Các electron và lỗ trống mang điện trái dấu hút nhau, và chúng bắt đầu quay quanh nhau, tạo ra exciton.

Exciton rất quan trọng trong chất bán dẫn, nhưng cho đến nay, các nhà khoa học chỉ có thể phát hiện và đo lường chúng một cách hạn chế. Một vấn đề nằm ở tính dễ vỡ của chúng - cần tương đối ít năng lượng để phân hủy các exciton thành các electron và lỗ trống tự do. Ngoài ra, chúng là phù du trong tự nhiên - trong một số vật liệu, các exciton sẽ bị dập tắt trong vài phần nghìn thời gian sau khi chúng được hình thành, lúc đó các electron bị kích thích sẽ "rơi" trở lại lỗ trống.

“Các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện ra exciton cách đây khoảng 90 năm,” Giáo sư Keshav Dani, tác giả cấp cao và là người đứng đầu nhóm quang phổ femtosecond của OIST cho biết. "Nhưng cho đến gần đây, người ta thường chỉ biết đến các đặc điểm quang học của các exciton - ví dụ, ánh sáng phát ra khi các exciton biến mất. bắt nguồn từ Mô tả về mặt lý thuyết. "

Tuy nhiên, vào tháng 12 năm 2020, các nhà khoa học thuộc Nhóm OIST Femtosecond Spectroscopy đã xuất bản một bài báo trên tạp chí Science mô tả một kỹ thuật mang tính cách mạng để đo động lượng của các electron trong exciton. Giờ đây, trên tạp chí "Science Advances" ngày 21 tháng 4, nhóm đã sử dụng công nghệ này để lần đầu tiên chụp được những hình ảnh cho thấy sự phân bố của các electron xung quanh các lỗ trống trong exciton.

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu tạo ra exciton bằng cách gửi xung laze tới chất bán dẫn hai chiều - một loại vật liệu được phát hiện gần đây chỉ dày vài nguyên tử và chứa nhiều exciton mạnh hơn. Sau khi các exciton được hình thành, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chùm tia laze với các photon năng lượng cực cao để phân hủy các exciton và đẩy các electron ra khỏi vật liệu trực tiếp vào không gian chân không trong kính hiển vi điện tử. Kính hiển vi điện tử đo góc và năng lượng của các điện tử khi chúng bay ra khỏi vật liệu. Từ thông tin này, các nhà khoa học có thể xác định động lượng ban đầu khi các electron kết hợp với các lỗ trống trong exciton.

"Công nghệ này có một số điểm tương đồng với thí nghiệm máy va chạm trong vật lý năng lượng cao. Trong máy va chạm, các hạt bị năng lượng mạnh đập vào nhau, phá vỡ chúng. Bằng cách đo các hạt bên trong nhỏ hơn được tạo ra trong quỹ đạo va chạm, các nhà khoa học có thể bắt đầu vỡ vụn cùng cấu trúc bên trong của hạt hoàn chỉnh ban đầu, ”Giáo sư Dani nói. "Ở đây, chúng tôi đang làm điều gì đó tương tự - chúng tôi đang sử dụng các photon ánh sáng cực tím để phá vỡ các exciton, và đo quỹ đạo của các electron để mô tả những gì bên trong."

"Đây không phải là một kỳ công đơn giản," Giáo sư Dani tiếp tục. "Phép đo phải được thực hiện rất cẩn thận - ở nhiệt độ thấp và cường độ thấp để tránh làm nóng các exciton. Phải mất vài ngày để thu được hình ảnh. Cuối cùng, nhóm đã đo thành công hàm sóng của các exciton, và nó cho xác suất rằng electron có thể nằm xung quanh lỗ trống.

Tiến sĩ Julien Madeo, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là nhà khoa học trong Nhóm Femtosecond Spectroscopy của OIST cho biết: “Công trình này là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực này. "Khả năng nhìn trực quan quỹ đạo bên trong của các hạt, bởi vì chúng tạo thành các hạt tổng hợp lớn hơn, cho phép chúng tôi hiểu, đo lường và cuối cùng điều khiển các hạt tổng hợp theo cách chưa từng có. Điều này cho phép chúng tôi tạo ra những hạt mới dựa trên các khái niệm này. Lượng tử trạng thái của vật chất và công nghệ. "