محققان مؤسسه علم و فناوری اوکیناوا (OIST) توزیع تکانه فوتوالکترون‌های ساطع شده توسط اکسیتون‌ها را در یک لایه منفرد تنگستن دیزلنید اندازه‌گیری کردند و تصاویری از مدارهای داخلی یا توزیع فضایی ذرات در اکسایتون‌ها ثبت کردند. هدفی که دانشمندان از زمان کشف اکسایتون نزدیک به یک قرن پیش نتوانسته اند به آن دست یابند.
اکسایتون‌ها حالت برانگیخته‌ای از ماده هستند که در نیمه‌رساناها یافت می‌شوند - این نوع مواد کلید بسیاری از دستگاه‌های فن‌آوری مدرن مانند سلول‌های خورشیدی، LED، لیزر و تلفن‌های هوشمند است.
دکتر مایکل من گفت: "اکسایتون ها ذرات بسیار منحصر به فرد و جالبی هستند؛ آنها از نظر الکتریکی خنثی هستند، به این معنی که رفتار آنها در مواد بسیار متفاوت از ذرات دیگر مانند الکترون ها است. حضور آنها واقعا می تواند نحوه واکنش مواد به نور را تغییر دهد." اولین نویسنده و دانشمند در گروه طیف سنجی فمتوثانیه OIST. "این کار ما را به درک کامل ماهیت اکسیتون ها نزدیک می کند."
اکسایتون ها زمانی تشکیل می شوند که یک نیمه هادی فوتون ها را جذب می کند، که باعث می شود الکترون های دارای بار منفی از سطح انرژی کم به سطح انرژی بالا بپرند. این باعث می شود که جای خالی با بار مثبت در سطوح انرژی پایین تر، به نام سوراخ، باقی بماند. الکترونها و حفره‌های با بار مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند و شروع به چرخش به دور یکدیگر می‌کنند که باعث ایجاد اکسیتون می‌شود.
اکسایتون ها در نیمه هادی ها حیاتی هستند، اما تاکنون دانشمندان تنها می توانند آنها را به روشی محدود شناسایی و اندازه گیری کنند. یک مشکل در شکنندگی آنها نهفته است - برای تجزیه اکسیتون ها به الکترون ها و حفره های آزاد انرژی نسبتا کمی نیاز است. علاوه بر این، آنها در طبیعت زودگذر هستند - در برخی مواد، اکسیتون‌ها در چند هزارم زمان پس از تشکیل، خاموش می‌شوند، در این زمان الکترون‌های برانگیخته دوباره به درون حفره می‌افتند.
پروفسور کشاو دانی، نویسنده ارشد و رئیس گروه طیف‌سنجی فمتوثانیه OIST می‌گوید: دانشمندان برای اولین بار حدود 90 سال پیش اکسیتون‌ها را کشف کردند. اما تا همین اواخر، مردم معمولاً فقط ویژگی‌های نوری اکسیتون‌ها را دریافت می‌کردند - برای مثال، نوری که هنگام ناپدید شدن اکسیتون‌ها منتشر می‌شد. برگرفته از توصیف نظری."
با این حال، در دسامبر 2020، دانشمندان گروه طیف‌سنجی فمتوثانیه OIST مقاله‌ای را در مجله Science منتشر کردند که در آن روشی انقلابی برای اندازه‌گیری تکانه الکترونها در اکسیتون‌ها توصیف می‌کرد. اکنون، در شماره 21 آوریل "Science Advances"، این تیم برای اولین بار از این فناوری برای گرفتن تصاویری استفاده کرد که توزیع الکترون ها را در اطراف حفره های اکسیتون ها نشان می دهد.
محققان ابتدا اکسیتون‌ها را با ارسال پالس‌های لیزری به یک نیمه‌رسانای دوبعدی تولید کردند، نوعی ماده که اخیراً کشف شده و تنها چند اتم ضخامت دارد و حاوی اکسیتون‌های قوی‌تری است. پس از تشکیل اکسیتون‌ها، تیم تحقیقاتی از یک پرتو لیزر با فوتون‌های بسیار پر انرژی برای تجزیه اکسیتون‌ها و پرتاب الکترونها به طور مستقیم از ماده به فضای خلاء در میکروسکوپ الکترونی استفاده کرد. میکروسکوپ الکترونی زاویه و انرژی الکترونها را هنگام پرواز از ماده اندازه گیری می کند. از این اطلاعات، دانشمندان می توانند تکانه اولیه زمانی که الکترون ها با حفره های اکسیتون ها ترکیب می شوند را تعیین کنند.
"این فناوری شباهت هایی با آزمایش برخورد دهنده در فیزیک پرانرژی دارد. در برخورد دهنده، ذرات با انرژی قوی به هم کوبیده می شوند و آنها را می شکنند. با اندازه گیری ذرات داخلی کوچکتر تولید شده در مسیر برخورد، دانشمندان می توانند شروع به قطعه قطعه کنند. پروفسور دانی گفت: با هم ساختار درونی ذره کامل اصلی. در اینجا، ما در حال انجام کاری مشابه هستیم - از فوتون‌های نور فرابنفش شدید برای شکستن اکسیتون‌ها و اندازه‌گیری مسیر حرکت الکترونها برای توصیف آنچه در داخل است استفاده می‌کنیم.
پروفسور دانی ادامه داد: «این یک شاهکار ساده نیست. اندازه‌گیری باید بسیار با دقت انجام شود - در دمای پایین و شدت کم برای جلوگیری از گرم شدن اکسیتون‌ها. چند روز طول کشید تا یک تصویر به دست آید. در پایان، تیم با موفقیت عملکرد موج اکسیتون‌ها را اندازه‌گیری کرد و به The احتمال اینکه الکترون ممکن است در اطراف سوراخ قرار گرفته باشد.
دکتر جولین مادئو، اولین نویسنده این مطالعه و دانشمند گروه طیف‌سنجی فمتوثانیه OIST، گفت: «این کار یک پیشرفت مهم در این زمینه است. "قابلیت دیدن بصری مدارهای داخلی ذرات، زیرا آنها ذرات مرکب بزرگتری را تشکیل می دهند، که به ما امکان می دهد ذرات مرکب را به روشی بی سابقه درک، اندازه گیری و در نهایت کنترل کنیم. این به ما امکان می دهد ذرات جدید را بر اساس این مفاهیم ایجاد کنیم. کوانتومی وضعیت ماده و فناوری."
حق چاپ @ 2020 Shenzhen Box Optronics Technology Co., Ltd. - چین ماژول های فیبر نوری، تولید کنندگان لیزرهای جفت فیبر، تامین کنندگان اجزای لیزر کلیه حقوق محفوظ است.
