První snímek pořízený na oběžné dráze elektronu v excitaci

Podle

Alespoň ve fyzice jsou k dispozici podivné kvantové koncepty. Elektrony fungují jako stejné částice a vlny, a proto je nemožné určit stejnou polohu a energii elektronu současně. Mrak s možností excitonu však naznačuje, kde se elektron pravděpodobně nachází kolem díry. Výzkumný tým vytvořil obraz možnosti mraku excitonu měřením vlnového pohybu. Zápočet: OIST

Revoluční přístup poskytl vědcům bezkonkurenční detailní pohled do nitra přechodných částic zvaných excitony.

V prvním světě získali vědci z Okinawského institutu vědy a technologie na Grgraduate University (OIST) snímek ukazující vnitřní oběžné dráhy nebo prostorové rozložení částic v excitonu – účel, který vědcům odcizil téměř sto let.

Excitony jsou vzrušující stav hmoty uvnitř polovodičů – třída klíčových materiálů v mnoha moderních technologických zařízeních, jako jsou solární články, LED diody, lasery a smartphony.

“Excitony jsou skutečně jedinečné a zajímavé částice; jsou elektricky neutrální, což znamená, že se uvnitř materiálů chovají odlišně od jiných částic, jako jsou elektrony. Jejich přítomnost může skutečně změnit způsob, jakým reagují. V lehkém materiálu,” řekl Dr. Michael Man, spoluautor a vědecký pracovník na OEM Femtosecond Spectroscopy Unit. “Tato práce nás přiblížila k úplnému pochopení podstaty excitonů.”

Excitonový diagram

Technické excitony nejsou částice, ale kvazičástice (kvazi – znamená v latině „téměř“). Jsou tvořeny elektrostatickou přitažlivostí mezi excitovanými, záporně nabitými elektrony a kladně nabitými otvory. Otvory jsou mezery, které zbyly z excitovaných elektronů a samy o sobě jakousi kvazičástice. Zápočet: OIST

Excitony se tvoří, když polovodiče absorbují fotony světla, což způsobí, že nabitá elektronika skočí z nižší energetické úrovně na mnohem vyšší energetickou hladinu. Zanechává pozitivně nabité prázdné prostory, nazývané otvory, na nejnižší energetické úrovni. Opačné nabité elektrony a díry jsou přitahovány a začínají obíhat kolem sebe a produkovat excitony.

Vzruchy mají v interiéru polovodičů zásadní význam, ale vědci je zatím našli a měřili jen omezeně. Jeden problém spočívá v jejich slabosti – k rozbití excitonu bez elektronů a děr je potřeba jen málo energie. Navíc má dočasnou povahu – v některých materiálech jsou excitony uhaseny téměř několik tisíc až miliard sekund po jejich vzniku, když vzrušené elektrony „spadnou“ zpět do děr.

“Vědci poprvé objevili excitony asi před 90 lety,” řekl profesor Keshav Dani, hlavní autor a vedoucí Oem Femtosecond Spectroscopy Unit. „Ale až dosud mohl člověk získat přístup pouze k optickému podpisu excitonů – například ke světlu emitovanému excitonem, když je vypnutý. Další aspekty jejich povahy, například jejich energie a to, jak elektron a díra obíhají navzájem, lze popsat pouze teoreticky. “

Přístrojové vybavení používané ve vzrušujících obrazech

Přístroj používá počáteční puls světelného impulsu k excitaci elektronů a generování excitonů. Poté rychle následuje druhý puls světla, který využívá více ultrafialových fotonů k nakopnutí elektronů uvnitř excitonů z materiálu a do prázdného prostoru elektronového mikroskopu. Elektronový mikroskop měří energii a úhel zanechaný elektrony v materiálu, aby určil hybnost elektronu kolem otvoru uvnitř excitonu. Zápočet: OIST

V prosinci 2020 však vědci z OIST Femtosecond Spectroscopy Unit publikovali dokument o Věda který popisuje revoluční metodu pro měření hybnosti elektronů uvnitř excitonů.

Dnes, hlášení 21. dubna v Vědecké pokroky, tem použil techniku ​​k získání nejranějšího obrazu ukazujícího distribuci elektronu kolem dutiny uvnitř excitonu.

Vědci nejprve vytvořili excitony vysláním laserového pulzního světla do dvojrozměrného polovodiče – nově objevené třídy materiálů, které jsou tlusté jen několik atomů. A existují silnější excitace.

Po generování excitonů tem používá laserový paprsek s fotony s velmi vysokou energií k rozbití excitonů a vykopnutí elektronů přímo z materiálu do vnitřního prostoru elektronového mikroskopu.

Elektronový mikroskop měří úhel a energii elektronů, které vylétají z materiálu. Z této informace vědci znají počáteční energii elektronu, když je vázán na díru uvnitř excitonu.

„Tato metoda má určité podobnosti s experimenty urychlovače ve fyzice vysokých energií, kde se částice rozkládají s velkým množstvím energie a rozkládají se. Měřením drah malých částic ve vnitřku, které se tvoří. Při srážce vědci může začít pokrýt vnitřní strukturu původními prázdnými částicemi, “říká profesor Dani.„ Tady děláme něco podobného – používáme více ultrafialového světla. světelný foton k rozbití excitonů a měření dráhy elektronů k popisu toho, co je uvnitř. “

“Není to špatný čin,” pokračoval profesor Dani. „Měření je třeba provádět s maximální opatrností – při nízkých teplotách a nízké energii, aby se zabránilo zahřátí excitonů. Získání obrazu trvalo několik dní.“

Později se temu podařilo změřit pohyb excitonu, což dalo možnost místa, kde se elektron pravděpodobně nacházel kolem díry.

“Tato práce představuje významný pokrok v této oblasti,” řekla Drs. Julien Madeo, spoluautor a vědecký pracovník na OEM Femtosecond Spectroscopy Unit. Schopnost vizualizovat vnitřní oběžné dráhy částic, aby z nich bylo mnohem více částic, nám umožní porozumět, měřit a nakonec ovládat směsi částic dříve, než k nim dojde. To nám umožní na základě těchto konceptů vytvořit nový stav hmoty a technologie. “

Odkaz: „Experimentální měření funkce vnitřní excitonické vlny“ od Michaela KL Mana, 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 a Keshav M. Dani, 21. dubna 2021, Vědecké pokroky.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg0192

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Výjimečná biologická rozmanitost ve 14,7 milionu let starém tropickém deštném pralese a osvětluje vývoj

Ekologická rekonstrukce bioty Zhangpu. Obrazový kredit: NIGPAS Nově objevený miocénní biom osvětluje vývoj deštného pralesa Mezinárodní výzkumná skupina vedená profesorem WANG Bo a profesorem SHI...

Newsletter

Subscribe to stay updated.