Физики впервые обнаружили электронные орбиты в экситонной квазичастице

Физики впервые обнаружили электронные орбиты в экситонной квазичастице

В физике элементарных частиц произошло новое невероятное достижение.

Впервые ученым удалось отобразить орбиты электронов внутри квазичастицы, известной как экситон, — результат, который позволил измерить волновую функцию экситона, описывающую пространственное распределение импульса электрона внутри квазичастицы.

К этому достижению стремятся с момента открытия экситонов в 1930-х годах, и хотя поначалу это может показаться абстрактным, оно может помочь в разработке различных технологий, в том числе приложений квантовых технологий.

«Экситоны — действительно уникальные и интересные частицы; они электрически нейтральны, что означает, что они ведут себя в материалах совсем иначе, чем другие частицы, такие как электроны. Их присутствие действительно может изменить способ реакции материала на свет», — сказал физик Майкл Ман из Института Окинавы. Отделение фемтосекундной спектроскопии науки и технологий (OIST) в Японии.

«Эта работа приближает нас к полному пониманию природы экситонов».

Экситон — это не настоящая частица, а квазичастица — явление, которое возникает, когда коллективное поведение частиц заставляет их действовать подобно частицам. Экситоны возникают в полупроводниках, материалах, которые обладают большей проводимостью, чем изолятор, но их недостаточно, чтобы можно было считать собственно проводниками.

Полупроводники полезны в электронике, поскольку они позволяют более точно контролировать поток электронов. Какими бы сложными ни были наблюдения, экситоны играют в этих материалах важную роль.

Экситоны могут образовываться, когда полупроводник поглощает фотон (частицу света), который поднимает отрицательно заряженные электроны на более высокий энергетический уровень; то есть фотон «возбуждает» электрон, который оставляет положительно заряженную щель, называемую электронной дыркой. Отрицательный электрон и его положительная дырка связываются вместе на общей орбите; экситон — это вращающаяся электронно-дырочная пара.

Распределение электронных вероятностей экситона показывает, где электрон наиболее вероятно находится. (OIST)

Но экситоны очень недолговечны, поскольку электрон и его дырка могут снова собраться вместе всего за доли секунды, так что на самом деле увидеть их очень сложно.

«Ученые впервые обнаружили экситоны около 90 лет назад», — сказал физик Кешав Дани из отделения фемтосекундной спектроскопии в OIST.

«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 по орбите, может быть описано только теоретически».

Это проблема, над решением которой работают исследователи. В декабре прошлого года они опубликовали метод прямого наблюдения импульсов электронов. Теперь они использовали этот метод. И это сработало.

В этом методе используется двумерный полупроводниковый материал, называемый диселенид вольфрама, помещенный в вакуумную камеру, охлаждаемую до температуры 90 Кельвина (-183,15 градусов Цельсия или -297,67 градусов по Фаренгейту). Эту температуру необходимо поддерживать, чтобы экситоны не перегревались.

Квадрат волновой функции экситона. (Man et al., Sci. Adv., 2021)

Лазерный импульс создает в материале экситоны; второй лазер сверхвысокой энергии затем полностью выбрасывает электроны в пустоту вакуумной камеры, которая контролируется электронным микроскопом.

Этот прибор измеряет скорости и траектории электронов, которые затем можно использовать для определения начальных орбит частиц в точке, в которой они были выброшены из своих экситонов.

Хотя это была деликатная и трудоемкая работа, команде удалось измерить волновую функцию экситона, которая описывает его квантовое состояние. Это описание включает его орбиту с электронной дыркой, что позволяет физикам точно предсказать положение электрона.

С некоторыми изменениями исследование группы могло бы стать огромным шагом вперед в исследованиях экситонов. Его можно использовать для измерения волновой функции различных состояний и конфигураций экситонов, а также для исследования физики экситонов различных полупроводниковых материалов и систем.

«Эта работа является важным достижением в области», — сказал физик Жюльен Мадео из отделения фемтосекундной спектроскопии OIST.

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. Это может позволить нам создавать новые квантовые состояния материи и технологии на основе этих концепций

Исследование команды опубликовано в Science Advances.

logo