Ang pinakaunang imahe na kinuha sa orbit ng mga electron sa isang exciter

Ayon kay

Sa pisika, napakaliit, kakaibang mga konsepto ng kabuuan na nalalapat. Gumagana ang mga electron bilang mga maliit na butil at alon, at samakatuwid ay hindi posible na malaman ang parehong posisyon at momentum ng isang electron. Sa halip, ipinapakita ang cloud ng posibilidad ng exciton kung saan ang electron ay malamang na nasa paligid ng butas. Ang koponan ng pananaliksik ay lumikha ng isang imahe ng posibilidad na ulap ng exciton sa pamamagitan ng pagsukat ng paggalaw ng alon. Kredito: OIST

Ang teknolohiyang rebolusyonaryo ay nagbibigay sa mga siyentista ng isang walang kapantay na detalyadong pagtingin sa loob ng mga pabagu-bago ng isip na mga particle na tinatawag na excitons.

Ang mga siyentista sa Okinawan Institute of Science and Technology (OIST) ay ang una sa buong mundo na kumuha ng larawan na nagpapakita ng panloob na mga orbit o spatial na pamamahagi ng mga maliit na butil sa isang exciton – isang layunin na iniwasan ng mga siyentista sa halos isang daang siglo.

Ang mga excitons ay nasasabik na estado ng bagay na matatagpuan sa semiconductors – isang klase ng mga materyal na susi sa maraming mga modernong teknolohikal na aparato, tulad ng mga solar cell, LED, laser at smartphone.

“Ang mga excitons ay tunay na natatangi at kagiliw-giliw na mga particle; ang mga ito ay walang kinikilingan sa kuryente, na nangangahulugang kumilos sila nang ibang-iba sa mga materyales mula sa iba pang mga maliit na butil, tulad ng mga electron. Ang kanilang pagkakaroon ay talagang mababago sa paraan ng reaksyon ng isang materyal sa ilaw,” sabi ni Dr. Michael Man ., co-author at mananaliksik sa OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. “Ang gawaing ito ay naglalapit sa amin sa isang buong pagkaunawa sa likas na katangian ng mga excitons.”

Diagram ng exciton

Ang mga excitons ay panteknikal na hindi mga maliit na butil, ngunit mga quasiparticle (quasi – sa Latin nangangahulugang “halos”). Ang mga ito ay nabuo sa pamamagitan ng pagkahumaling ng electrostatic sa pagitan ng mga nasasabik, negatibong sisingilin na mga electron at may positibong singil na mga butas. Ang mga orifice ay ang mga puwang naiwan ng mga nasasabik na electron, at sila ay isang uri ng quasiparticle. Kredito: OIST

Ang mga excitons ay nabuo kapag ang mga semiconductor ay sumisipsip ng mga photon ng ilaw, na nagiging sanhi ng mga negatibong singil na electron upang tumalon mula sa isang mas mababang antas ng enerhiya sa isang mas mataas na antas ng enerhiya. Ito ay nag-iiwan ng positibong nasingil na mga walang bisa, na tinatawag na bukana, sa isang mas mababang antas ng enerhiya. Ang mga salungat na sinisingil na mga electron at butas ay nakakaakit at nagsimulang mag-orbit, lumilikha ng mga exciton.

Ang mga excitons ay mahalaga sa mga semiconductor, ngunit sa ngayon ang mga siyentipiko ay nakakakita lamang at nasusukat ang mga ito sa isang limitadong paraan. Ang isang problema ay ang kanilang hina – ang pagsira sa isang exciton sa mga libreng electron at butas ay nangangailangan ng medyo kaunting enerhiya. Bilang karagdagan, ang mga ito ay pabagu-bago ng likas na katangian – sa ilang mga materyales, ang mga excitons ay napapatay tungkol sa ilang libu-libo ng isang bilyon-bilyon ng isang segundo matapos na mabuo kapag ang mga nasasabik na electron ay “nahulog” pabalik sa mga butas.

“Ang mga siyentipiko ay unang natuklasan ang mga excitons mga 90 taon na ang nakakaraan,” sabi ni Propesor Keshav Dani, pinuno ng may-akda at pinuno ng OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. “Ngunit hanggang kamakailan lamang, posible lamang na ma-access ang mga pirma ng optikal ng mga exciton – halimbawa, ang ilaw na inilalabas ng isang exciton kapag ito ay napapatay.” Ang iba pang mga aspeto ng kanilang kalikasan, tulad ng kanilang momentum at kung paano ang electron at ang butas ay umikot sa bawat isa, ay maaari lamang mailalarawan sa teoretikal. “

Ang aparador na ginamit upang ipakita ang mga paggulo

Gumagamit ang instrumento ng paunang pulso ng light pulse upang ma-excite ang mga electron at makabuo ng mga excitons. Ito ay mabilis na sinusundan ng isang pangalawang pulso ng ilaw, na gumagamit ng matinding ultraviolet foton upang maghukay ng mga electron sa mga exciton mula sa materyal at sa vacuum ng electron microscope. Sinusukat ng electron microscope ang lakas at anggulo kung saan iniwan ng mga electron ang materyal upang matukoy ang momentum ng electron sa paligid ng butas sa loob ng exciton. Kredito: OIST

Gayunpaman, noong Disyembre 2020, ang mga mananaliksik mula sa OIST Femtosecond Spectroscopy Unit ay naglathala ng isang artikulo sa Agham naglalarawan ng isang rebolusyonaryong pamamaraan para sa pagsukat ng momentum ng mga electron sa excitons.

Ngayon, ang ulat ng Abril 21 sa Pagsulong ng pang-aghamginamit ng koponan ang pamamaraan upang makuha ang pinakaunang imahe na nagpapakita ng pamamahagi ng isang elektron sa paligid ng isang pambungad sa loob ng isang exciton.

Ang mga siyentipiko ay unang lumikha ng mga exciton sa pamamagitan ng pagpapadala ng isang laser pulso ng ilaw papunta sa isang dalawang-dimensional na semiconductor – isang kamakailang natuklasan na klase ng mga materyales na ilang mga atomo lamang ang makapal at may mas matatag na mga exciton.

Matapos mabuo ang mga exciton, gumamit ang koponan ng napakataas na enerhiya na photon laser beam upang masira ang mga exciton at maghukay ng mga electron nang direkta mula sa materyal patungo sa vacuum space sa ilalim ng isang electron microscope.

Sinukat ng electron microscope ang anggulo at lakas ng mga electron na lumipad palabas ng materyal. Mula sa impormasyong ito, natukoy ng mga siyentista ang paunang momentum ng isang electron nang ito ay nakatali sa isang pambungad sa loob ng exciton.

“Ang diskarteng ito ay may pagkakahawig sa mga eksperimento ng physics accelerator na may mataas na enerhiya, kung saan ang mga maliit na butil ay nawasak kasama ang isang matinding dami ng enerhiya at nawasak.” Sa pamamagitan ng pagsukat ng mga daanan ng maliit na panloob na mga maliit na butil na nilikha sa pagkakabangga, ang mga siyentipiko ay maaaring magsimulang gumawa ng panloob na istraktura ng mga orihinal na buo na butil, “sabi ni Propesor Dani. “Ginagawa namin ang isang bagay na katulad dito – gumagamit kami ng matinding ultraviolet light photon upang masira ang mga exciton at masukat ang mga electron trajectory upang maipakita kung ano ang nasa loob.”

“Hindi ito isang masamang pagganap,” patuloy ni Propesor Dani. “Ang mga pagsukat ay kailangang gawin nang may lubos na pangangalaga – sa mababang temperatura at mababang intensidad upang maiwasan ang pag-init ng mga excitons.” Tumagal ng ilang araw upang makakuha ng isang solong imahe. “

Sa paglaon, nasusukat ng koponan ang paggana ng alon ng exciton, na nagbibigay ng isang posibilidad kung saan ang electron ay malamang na mailagay sa paligid ng butas.

“Ang gawaing ito ay isang mahalagang hakbang pasulong sa lugar na ito,” sabi ni Dr. Si Julien Madeo, kapwa may-akda at mananaliksik sa OIST Femtosecond Spectroscopy Unit. “Ang kakayahang mailarawan ang panloob na mga orbit ng mga maliit na butil habang lumilikha sila ng mas malaking mga pinaghalong mga maliit na butil ay maaaring payagan kaming maunawaan, masukat, at sa huli ay makontrol ang mga pinaghalo na mga maliit na butil sa hindi pa nagagagawa na mga paraan.” Maaari nitong payagan kaming lumikha ng mga bagong estado ng bagay at teknolohiya batay sa mga konseptong ito. “

Sanggunian: “Pang-eksperimentong Pagsukat ng Panloob na Excitonic Wave Function” ni Michael KL Man, Julien Madé, Chakradhar Saho, Kaichen Xie, Marshall Campbell, Vivek Pareek, Ark 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 at Keshav M. Dani, 21 Abril 2021, Pagsulong ng pang-agham.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg0192

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

82% ng Mga Tao na Na-ospital Sa COVID-19 Bumuo ng Mga Neurological Problems

Isinasaalang-alang ang tomography ng utak. Ang mga pasyente na may mga karamdaman na nagpapahiwatig ng neurological ay kasangkot COVID-19 anim na beses na mas malamang...

“Gobsmacked” – Ang Melanie Wood ng Harvard ay Naging Unang Babae na Nanalo ng $ 1M Waterman Award sa Math

Si Melanie Wood ang unang babaeng nanalo ng isang Waterman Award sa matematika. Kredito: Stephanie Mitchell / Harvard Staff Photographer Kinikilala para sa mga...

Bagong Pagong na Natagpuan sa Huling Cretaceous ng Madagascar

Ang pagbabagong-tatag ng buhay ng Sahonachelys mailakavava, umaatake sa Madagascan na palaka tadpoles na si Belzebufo ay nagprotesta gamit ang isang espesyal na diyeta...

Natuklasan ng mga siyentista na ang loob ng Saturn – ang makapal na layer ng helium – ay nakakaapekto sa magnetic field ng mga...

Ang magnetikong patlang ni Saturn na nakikita sa itaas. Credit-Ancate Barrick / Jones Hopkins University Ginagaya ng mga mananaliksik ang mga kondisyong kinakailangan para...

Lumilikha ang mga mananaliksik ng cybersecurity ng mas mahusay na kanaryo – gamit ang AI upang lumikha ng pekeng mga dokumento

Ang bagong artipisyal na sistema ng katalinuhan ay lumilikha ng mga pekeng dokumento upang linlangin ang mga kalaban. Sa panahon ng World War II, ang...

Newsletter

Subscribe to stay updated.