В физике элементарных частиц произошло новое невероятное достижение

Впервые ученым удалось отобразить орбиты электронов внутри квазичастицы, известной как экситон, - результат, который позволил им, наконец, 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, включая приложения квантовых технологий.

"Экситоны - действительно уникальные и интересные частицы; они электрически нейтральны, что означает, что они ведут себя в материалах совершенно иначе, чем другие частицы, такие как электроны. Их присутствие действительно может изменить способ реакции материала на свет", - сказал физик Майкл Ман из Окинавского института 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 их 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.

Но экситоны очень недолговечны и очень хрупки, так как электрон и его дырка могут снова собраться вместе всего за доли секунды, поэтому на самом деле увидеть их - нелегкий подвиг.

"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. другое, 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 диселенидом вольфрама, помещенный в вакуумную камеру, охлаждаемую до температуры 90 Кельвина (-183,15 градусов Цельсия). Эту температуру необходимо поддерживать, чтобы экситоны не перегревались.

Лазерный импульс создает в этом 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.

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.