© Фото : OISTИзображение экситона, показывающее вероятностное пространственное размещение электрона относительно дырки

© Фото : OIST

Японские и американские физики использовали передовые технологии, чтобы получить первое в истории изображение электрона внутри экситона — квазичастицы, имеющей важное значение в физике полупроводников. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Экситоны представляют из себя связанное возбужденное состояние отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок в полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда или массы.

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, называемые дырами, на нижнем энергетическом уровне. Противоположно заряженные электроны и дырки притягиваются и начинают вращаться друг вокруг друга, что создает экситоны.

До сих пор ученым удавалось обнаружить и измерить экситоны лишь косвенными способами. Одна из проблем заключается в их хрупкости — требуется относительно небольшая энергия, чтобы разбить экситон на свободные электроны и дырки. Кроме того, они мимолетны по своей природе — в некоторых материалах экситоны гаснут примерно через несколько тысячных или даже миллионных долей секунды после их образования, когда возбужденные электроны «падают» обратно в дырки.

© OISTЭкситоны — возбужденные пары электронов (синим) и дырок (красным) в кристалле полупроводника

© OIST

Экситоны — возбужденные пары электронов (синим) и дырок (красным) в кристалле полупроводника

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) использовали свет крайней ультрафиолетовой части спектра, чтобы разбить экситоны на части и вытолкнуть электроны в вакуум электронного микроскопа. Измеряя угол, под которым электроны вылетают из материала, авторы определили орбиту, по которой электроны и дырки вращаются друг вокруг друга в экситоне.

В квантовом мире электроны действуют как частицы и как волны, поэтому невозможно узнать положение и импульс электрона одновременно. Вместо этого физики оперируют понятием облака вероятности экситона, плотность которого показывает, где электрон с наибольшей вероятностью находится вокруг дыры.

Путем измерения волновой функции авторы получили изображение облака вероятности экситона — по сути первое изображение экситона, показывающее пространственное распределение электрона относительно дырки.

«Экситоны — действительно уникальные и интересные частицы. Они электрически нейтральны. Это означает, что они ведут себя в материалах совершенно иначе, чем другие частицы, такие как электроны. Их присутствие может изменить реакцию материала на свет», — приводятся в пресс-релизе института слова первого автора статьи Майкла Мана (Michael Man), сотрудника отдела фемтосекундной спектроскопии OIST.

«Ученые впервые обнаружили экситоны около 90 лет назад, — продолжает руководитель исследования профессор Кешав Дани (Keshav Dani). — 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 импульс и орбита, по которой электрон и дырка вращаются друг вокруг друга, могли быть описаны только теоретически».

В 2020 году ученые из отдела фемтосекундной спектроскопии OIST разработали революционный метод измерения импульса электронов внутри экситонов. Теперь они использовали эту технику, чтобы сделать первое в истории изображение, которое показывает распределение электрона вокруг дырки внутри экситона.